一種新型高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

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摘要： 介紹了一種基于USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計。該采集系統(tǒng)能夠將雷達接收機送來的信號進行高速的采集，然后通過USB接口，將采集到的數(shù)據(jù)送到計算機，經(jīng)由上層軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析。

關鍵詞： USB2.0；FPGA；高速數(shù)據(jù)采集；雷達接收機

引言

　　在雷達接收機的測試和維護中，經(jīng)常需要對數(shù)據(jù)進行采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)送入計算機進行分析處理。鑒于對數(shù)據(jù)實時采集的需求，對采集系統(tǒng)提出三方面的要求：第一，接口簡單靈活且有較高的數(shù)據(jù)傳輸率；第二，采集的數(shù)據(jù)能夠快速處理并能方便提取原始數(shù)據(jù)；第三，數(shù)據(jù)采集裝置具備多路數(shù)據(jù)采集能力。對于一些特殊應用，甚至需要整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠方便攜帶。

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多通過PCI總線完成數(shù)據(jù)的傳輸，但PCI總線存在嚴重缺陷：受限于計算機插槽數(shù)量和中斷資源；不便于連接與安裝；易受機箱內(nèi)電磁環(huán)境的影響。這些問題遏制了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進一步開發(fā)和應用。因此，需要一種更為簡便通用的方式來完成采集系統(tǒng)和計算機的數(shù)據(jù)的交互。

　　考慮到現(xiàn)代計算機上大都配備了USB接口，且USB支持即插即用，安裝方便，易于擴展，USB2.0能夠達到480Mb/s的理論傳輸速度，非常適合在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應用。因此，通過USB接口來完成數(shù)據(jù)傳輸是一個很好的替代方案。出于上述考慮，筆者設計了一個基于USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過實際測試，該系統(tǒng)可以很好的完成數(shù)據(jù)采集的功能。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設計

　　高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)整體的設計思路如下：計算機將采集指令(包括數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)長度，FPGA控制指令等)送給USB控制芯片，USB控制芯片通過固件程序對指令進行簡單的格式判定，然后將判定后正確的指令送給FPGA，FPGA對指令進行譯碼，獲得需要采集的數(shù)據(jù)的長度，以及采集的地址和控制信號，控制RAM來完成數(shù)據(jù)的采集存儲。雷達接收機送過來的數(shù)據(jù)和時鐘信號經(jīng)過長線接收器組以后，由差分信號變?yōu)槠胀ǖ臄?shù)字信號，時鐘信號送入FPGA，經(jīng)過處理后，用來控制數(shù)據(jù)的采集時刻，數(shù)據(jù)先存入RAM，待完成所需數(shù)目的采集以后，再通過USB控制芯片送給計算機，完成數(shù)據(jù)的后期處理和顯示。

圖1  高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

　　圖2為FPGA與USB控制芯片的連接圖，電路中FPGA選用EP1C3T144C8，USB控制芯片選用Cypress 公司的CY7C68013。USB_Ready 為USB芯片狀態(tài)標志，低電平有效；FPGA_Ready為FPGA芯片狀態(tài)標志，低電平有效；USB_Clk為USB向FPGA傳送指令的指令時鐘，USB_Data 為USB傳送給FPGA的控制指令；FD[15:0]為USB 與FPGA交互的數(shù)據(jù)。

圖2  FPGA與USB控制芯片的電路連接圖

　　FPGA與USB芯片之間的通信流程如下：
　　
　　1、FPGA發(fā)送FPGA_Ready信號給USB控制芯片，表示FPGA