[发明专利]采用FPGA实现基于PCI接口协议的阵列式可扩展数据采集系统

说明书

技术领域

本发明涉及多通道模拟信号采集技术，特别是利用FPGA实现对多板卡、多通道ADC采样的控制领域。 

背景技术

在声纳、雷达等系统中模拟信号采集是相当关键的部分，担负着将换能器、天线等接收到的信号经过模拟前端处理后数字化的任务。在多换能器或多天线的声纳、雷达系统中，多通道并行采样技术受到可扩展性、采样精度和传输速率等技术条件限制一直是一个行业难题。 

现有技术中的多通道信号采集主要分为以下几种： 

1、单一板卡多通道同步模拟信号采集 

涉及到多通道模拟信号采集的技术里，有一种设计方法是将多路ADC（模拟数字转换器）放置在一张板卡上，由一个控制器模块对所有的ADC进行管理，通过某一种总线将数据传输至上位机，如图1所示。 

在这种设计中，系统的结构简单，所有ADC被控制器模块管理。控制器模块可以通用型CPU、DSP、FPGA、单片机等。同时为了同总线连接，控制器模块还应具备相应的桥电路的功能。但此方案不利于输入模拟信号通道的扩展，如需要灵活的通道扩展能力就要采用多板卡多通道单一控制器模拟信号采集系统。 

2、多板卡多通道单一控制器模拟信号采集 

为了拥有可扩展性，在上述的第一种系统架构之上将多路ADC放置在其他板卡上，作为扩充板卡，但为了降低成本和降低系统复杂度，扩充板卡上并无控制器，所以需要将扩充板卡通过自定义的控制线和数据线与主板上的控制器进行连接，如图2所示。 

该方案解决了单一板卡通道数量不能扩展的弊端，系统结构也并不复杂。但该方案需要重新设计子板卡，且控制信号和数据线往往不能通过系统中的总线进行互联，需要单独设计连接方式。控制模块的IO接口资源有限，缓存容量也有限，所以该方案的扩展性也是有限的。 

综上所述，现有的方案采用单一板卡或简单的ADC扩展板卡设计，限制了系统通道的数量；单一的控制模块也限制了ADC采样任务分配模式，同时也没有完全挖掘到总线的数据吞吐潜力。下面详细列出现有方法的主要缺点： 

（1）单一控制器模块由于IO接口资源有限，所使用的缓存大小有限，使得通道数量的可扩展性收到了限制。这对于需要多通道数据采集的应用场景很不利。 

（2）扩展板卡与主板间只是简单的控制线和数据线相连接，并没有充分利用系统中现有的总线。 

（3）板卡间互联信号过于简单，仅限于芯片本身的几个信号；简单的单端线由于传输高速信号的能力有限，而传统的方案使用高速时钟进行通道间的同步，这个过程中如果有一两个时钟信号没有被捕获同步效果就会大打折扣。 

发明内容

本发明就是为了克服老旧方案的这些局限性，采用多板卡的形式，且每块板卡上面都有控制模块。板卡间拥有自定义的总线，使用LVDS（低电压差分信号）传输帧同步信号实现多通道同步采样。 

具体而言，本发明提出了一种采用FPGA实现基于PCI接口协议的阵列式可扩展数据采集系统，该系统包括： 

多块相同的模拟信号采集板卡（101、102、103），同时多块板卡都挂载到自定义的板间总线上，实现板间的通信。整套系统采用ATX电源通过CPCI总线供电， 

其中每个板卡包括： 

控制器模块(203)，由FPGA芯片及SRAM芯片构成，用于控制采样过程以及生成板间总线信号和控制数据的缓存与传输； 

多路ADC模块(201)，由64路结构相同的单路ADC模块(301)构成，用于将模拟信号转化成数字信号，再将数据输出至所述控制器模块(203)； 

电源模块(202)，由两个完全相同的电源子模块(501)构成，用于给各芯片提供稳定且低噪的电源； 

PCI桥接芯片，用于通过PCI总线实现所述模拟信号采集板卡（101、102、103）与上位机的通信。 

根据本发明的另一方面，其中所述多路ADC模块(201)中的单路ADC模块(301)进一步包括： 

信号调理模块(401)，包括输入缓冲级放大电路，用于将单端模拟信号转变为差分模拟信号； 

采样模块(402)，用于在采样控制信号的控制下，将所述信号调理模块(401)输出的差分模拟信号经过采样变为串行数字信号，并按照一定的时序传送至控制器模块(203)。 

根据本发明的另一方面，其中所述电源子模块(501)进一步包括：一个3.3V稳压模块(601)、两个5V稳压模块(602、603)和一个3.3V电源基准模块(604)，其中