基于fpga的內(nèi)嵌usb調(diào)試模塊的高速pci采集卡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于FPGA的高速PCI數(shù)據(jù)采集卡，特別是涉及一種基于FPGA的內(nèi)嵌USB調(diào)試模塊的高速PCI采集卡。
【背景技術(shù)】
[0002]在自動化測控領(lǐng)域，隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，對測控系統(tǒng)的開發(fā)周期要求越來越高，而采集系統(tǒng)開發(fā)周期的長短必將影響整個測控系統(tǒng)。如何保證在高速高精度采集的情況下，快速地完成系統(tǒng)地調(diào)試與開發(fā)顯得越來越重要。
[0003]在基于工控機(jī)和采集卡的采集系統(tǒng)中，普遍使用的采集卡為兩種:基于USB總線的高速采集卡和基于PCI總線的高速采集卡。這兩種采集卡均存在一定的缺陷:(1)采用USB總線，雖然其具有通信協(xié)議簡單，可支持熱插拔等優(yōu)點，但由于其接口暴露，導(dǎo)致抗干擾能力較差，不能滿足工業(yè)級的要求；(2)采用PCI總線，雖然其具有突出的抗干擾性能和超高的傳輸速度，但由于PCI總線協(xié)議復(fù)雜，且不支持熱插拔，而一般采集系統(tǒng)往往需要經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，在此過程中需要反復(fù)開關(guān)機(jī)和插拔采集卡，這樣不僅降低了調(diào)試和開發(fā)效率，而且在插拔采集卡過程中還有可能因為誤操作損壞工控機(jī)和采集卡。綜合以上問題，比較合理的解決方案是在高速PCI采集卡上增加USB調(diào)試模塊，首先利用USB調(diào)試模塊完成采集卡的信號采集模塊，然后將調(diào)試好的信號采集模塊連接至PCI總線。而市售的采集卡沒有相關(guān)功能的廣品。
[0004]參照圖3。文獻(xiàn)“基于FPGA的連續(xù)采樣的高速PCI采集卡設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，林良有，張偉.2007，15 (6):813-815.”公開了一種基于FPGA的高速PCI數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡包括前置放大模塊，程控放大模塊，抗混疊濾波模塊，A/D采樣模塊，F(xiàn)PGA處理模塊和總線傳輸模塊。信號經(jīng)過前置放大和程控放大，使信號的最大幅度接近A/D采樣的量程，之后經(jīng)過低通模擬濾波器處理，將信號傳入A/D采樣模塊。采樣后的信號經(jīng)過FPGA處理模塊的“數(shù)據(jù)壓縮”處理，由PCI總線傳至PC機(jī)。該采集卡由于采用PCI總線，且功能復(fù)雜，在調(diào)試過程中不可能一次性完成所有功能的調(diào)試，所以需要反復(fù)開關(guān)機(jī)和插拔采集卡，不僅大大降低了調(diào)試和開發(fā)效率，而且在插拔采集卡的過程中極易損壞工控機(jī)和采集卡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有基于FPGA的高速PCI數(shù)據(jù)采集卡實用性差的不足，本發(fā)明提供一種基于FPGA的內(nèi)嵌USB調(diào)試模塊的高速PCI采集卡。該采集卡包括A/D采樣模塊、FPGA處理芯片、PCI總線傳輸模塊和USB調(diào)試模塊。信號通過A/D采樣模塊的外圍接口進(jìn)入模擬開關(guān)，然后通過運(yùn)算放大器送入A/D轉(zhuǎn)換芯片。由FPGA處理芯片的控制邏輯控制A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換以及模擬開關(guān)的通道切換，并將結(jié)果存入FPGA處理芯片的鎖存器。FPGA處理芯片將鎖存器中的數(shù)據(jù)同時且按地址順序送入到雙端口 RAMl和雙端口 RAM2中。PCI總線傳輸模塊的PCI接口通過橋接芯片將地址信息傳送給電平轉(zhuǎn)換芯片，電平轉(zhuǎn)換芯片將地址信息轉(zhuǎn)化為FPGA處理芯片能夠接受的電平信息，并送入FPGA處理芯片的雙端口 RAMl。FPGA處理芯片內(nèi)部的雙端口 RAMl將對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)通過電平轉(zhuǎn)換芯片送入到橋接芯片，橋接芯片將數(shù)據(jù)再傳送給PCI接口。USB調(diào)試模塊的USB接口將串行的地址信息送入到驅(qū)動芯片中，驅(qū)動芯片將串行的地址信息轉(zhuǎn)換為并行的地址信息并送入到FPGA處理芯片的雙端口RAM2中。雙端口 RAM2將對應(yīng)地址信息的數(shù)據(jù)送回到驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片將并行的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為串行的，然后送入到USB接口。由于采用A/D采樣模塊，保證了模擬信號的高速、高精度采集和轉(zhuǎn)化。由于采用PCI總線傳輸模塊，實現(xiàn)了采集卡與計算機(jī)之間數(shù)據(jù)的高速和高抗干擾傳輸。由于采用USB調(diào)試模塊，實現(xiàn)了在不用開關(guān)機(jī)和插拔采集卡的情況下，完成A/D采樣模塊和FPGA處理芯片的調(diào)試。實用性強(qiáng)。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于FPGA的內(nèi)嵌USB調(diào)試模塊的高速PCI采集卡，其特點是包括A/D采樣模塊、FPGA處理芯片、PCI總線傳輸模塊和USB調(diào)試模塊。所述的A/D采樣模塊由外圍接口、模擬開關(guān)、運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。所述的FPGA處理芯片內(nèi)部集成四個功能單元為鎖存器、控制邏輯、雙端口 RAMl和雙端口RAM2。所述的PCI總線傳輸模塊由電平轉(zhuǎn)換芯片、橋接芯片和PCI接口構(gòu)成。所述的USB調(diào)試模塊由USB接口和驅(qū)動芯片組成。信號通過A/D采樣模塊的外圍接口進(jìn)入模擬開關(guān)，然后通過運(yùn)算放大器送入A/D轉(zhuǎn)換芯片。由FPGA處理芯片的控制邏輯控制A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換以及模擬開關(guān)的通道切換，并將結(jié)果存入FPGA處理芯片的鎖存器。FPGA處理芯片將鎖存器中的數(shù)據(jù)同時且按地址順序送入到雙端口 RAMl和雙端口 RAM2中。PCI總線傳輸模塊的PCI接口通過橋接芯片將地址信息傳送給電平轉(zhuǎn)換芯片，電平轉(zhuǎn)換芯片將地址信息轉(zhuǎn)化為FPGA處理芯片能夠接受的電平信息，并送入FPGA處理芯片的雙端口 RAMl。FPGA處理芯片內(nèi)部的雙端口 RAMl將對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)通過電平轉(zhuǎn)換芯片送入到橋接芯片，橋接芯片將數(shù)據(jù)再傳送給PCI接口。USB調(diào)試模塊的USB接口將串行的地址信息送入到驅(qū)動芯片中，驅(qū)動芯片將串行的地址信息轉(zhuǎn)換為并行的地址信息并送入到FPGA處理芯片的雙端口 RAM2中。雙端口 RAM2將對應(yīng)地址信息的數(shù)據(jù)送回到驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片將并行的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為串行的，然后送入到USB接口。
[0007]所述的A/D采樣模塊中，外圍接口的型號是DB37。
[0008]所述的A/D采樣模塊中，模擬開關(guān)采用ADG1406芯片。
[0009]所述的A/D采樣模塊中，運(yùn)算放大器是由AD8021搭建的電壓跟隨器。
[0010]所述的A/D采樣模塊中，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用AD7671芯片。
[0011]所述的FPGA處理芯片的型號是EP2C8Q208。
[0012]所述的PCI總線傳輸模塊中，橋接芯片的型號是PCI9052。
[0013]所述的PCI總線傳輸模塊中，電平轉(zhuǎn)換芯片的型號是SN74LVCH16T245。
[0014]所述的USB調(diào)試模塊中，驅(qū)動芯片的型號是CH376。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:該P(yáng)CI采集卡包括A/D采樣模塊、FPGA處理芯片、PCI總線傳輸模塊和USB調(diào)試模塊。信號通過A/D采樣模塊的外圍接口進(jìn)入模擬開關(guān)，然后通過運(yùn)算放大器送入A/D轉(zhuǎn)換芯片。由FPGA處理芯片的控制邏輯控制A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換以及模擬開關(guān)的通道切換，并將結(jié)果存入FPGA處理芯片的鎖存器。FPGA處理芯片將鎖存器中的數(shù)據(jù)同時且按地址順序送入到雙端口 RAMl和雙端口 RAM2中。PCI總線傳輸模塊的PCI接口通過橋接芯片將地址信息傳送給電平轉(zhuǎn)換芯片，電平轉(zhuǎn)換芯片將地址信息轉(zhuǎn)化為FPGA處理芯片能夠接受的電平信息，并送入FPGA處理芯片的雙端口 RAMl。FPGA處理芯片內(nèi)部的雙端口 RAMl將對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)通過電平轉(zhuǎn)換芯片送入到橋接芯片，橋接芯片將數(shù)據(jù)再傳送給PCI接口。USB調(diào)試模塊的USB接口將串行的地址信息送入到驅(qū)動芯片中，驅(qū)動芯片將串行的地址信息轉(zhuǎn)換為并行的地址信息并送入到FPGA處理芯片的雙端口 RAM2中。雙端口 RAM2將對應(yīng)地址信息的數(shù)據(jù)送回到驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片將并行的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為串行的，然后送入到USB接口。由于采用A/D采樣模塊，保證了模擬信號的高速、高精度采集和轉(zhuǎn)化。由于采用PCI總線傳輸模塊，實現(xiàn)了采集卡與計算機(jī)之間數(shù)據(jù)的高速和高抗干擾傳輸。由于采用USB調(diào)試模塊，實現(xiàn)了在不用開關(guān)機(jī)和插拔采集卡的情況下，完成A/D采樣模塊和FPGA處理芯片的調(diào)試，實用性強(qiáng)。
[0016]其優(yōu)勢具體體現(xiàn)在:
[0017]1.利用USB總線可熱插拔和協(xié)議相對簡單的特點，將本需要通過PCI總線來調(diào)試和開發(fā)的A/D采樣模塊和FPGA處理芯片用USB調(diào)試模塊來完成。減少了工控機(jī)的開關(guān)機(jī)和采集卡的插拔次數(shù)，極大地提高了系統(tǒng)調(diào)試和開發(fā)效率，且降低了由于頻繁插拔對工控機(jī)和采集卡造成損壞的概率；
[0018]2.采集卡在USB調(diào)試模塊完成A/D采樣模塊和FPGA處理芯片的調(diào)試和開發(fā)后，最終依然是通過PCI總線傳輸模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖垢蓴_性和高速性。
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明基于FPGA的內(nèi)嵌USB調(diào)試模塊的高速PCI采集卡的電路框圖。
[0021]圖2是本發(fā)明基于FPGA的內(nèi)嵌USB調(diào)試模塊的高速PCI采集卡的操作流程圖。
[0022]圖3是【背景技術(shù)】基于FPGA的高速PCI數(shù)據(jù)采集卡的電路框圖。
【具體實施方式】
[0023]參照圖1-2。本發(fā)明基于FPGA的內(nèi)嵌USB調(diào)試模塊的高速PCI采集卡包括A/D采樣模塊、F