[发明专利]基于FPGA的内嵌USB调试模块的高速PCI采集卡

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的高速PCI数据采集卡，特别是涉及一种基于FPGA的内嵌USB调试模块的高速PCI采集卡。

背景技术

在自动化测控领域，随着工业化进程的加快，对测控系统的开发周期要求越来越高，而采集系统开发周期的长短必将影响整个测控系统。如何保证在高速高精度采集的情况下，快速地完成系统地调试与开发显得越来越重要。

在基于工控机和采集卡的采集系统中，普遍使用的采集卡为两种：基于USB总线的高速采集卡和基于PCI总线的高速采集卡。这两种采集卡均存在一定的缺陷：(1)采用USB总线，虽然其具有通信协议简单，可支持热插拔等优点，但由于其接口暴露，导致抗干扰能力较差，不能满足工业级的要求；(2)采用PCI总线，虽然其具有突出的抗干扰性能和超高的传输速度，但由于PCI总线协议复杂，且不支持热插拔，而一般采集系统往往需要经过反复调试，在此过程中需要反复开关机和插拔采集卡，这样不仅降低了调试和开发效率，而且在插拔采集卡过程中还有可能因为误操作损坏工控机和采集卡。综合以上问题，比较合理的解决方案是在高速PCI采集卡上增加USB调试模块，首先利用USB调试模块完成采集卡的信号采集模块，然后将调试好的信号采集模块连接至PCI总线。而市售的采集卡没有相关功能的产品。

参照图3。文献“基于FPGA的连续采样的高速PCI采集卡设计[J].计算机测量与控制，林良有,张伟.2007，15(6):813-815.”公开了一种基于FPGA的高速PCI数据采集卡。该采集卡包括前置放大模块，程控放大模块，抗混叠滤波模块，A/D采样模块，FPGA处理模块和总线传输模块。信号经过前置放大和程控放大，使信号的最大幅度接近A/D采样的量程，之后经过低通模拟滤波器处理，将信号传入A/D采样模块。采样后的信号经过FPGA处理模块的“数据压缩”处理，由PCI总线传至PC机。该采集卡由于采用PCI总线，且功能复杂，在调试过程中不可能一次性完成所有功能的调试，所以需要反复开关机和插拔采集卡，不仅大大降低了调试和开发效率，而且在插拔采集卡的过程中极易损坏工控机和采集卡。

发明内容

为了克服现有基于FPGA的高速PCI数据采集卡实用性差的不足，本发明提供一种基于FPGA的内嵌USB调试模块的高速PCI采集卡。该采集卡包括A/D采样模块、FPGA处理芯片、PCI总线传输模块和USB调试模块。信号通过A/D采样模块的外围接口进入模拟开关，然后通过运算放大器送入A/D转换芯片。由FPGA处理芯片的控制逻辑控制A/D转换芯片的转换以及模拟开关的通道切换，并将结果存入FPGA处理芯片的锁存器。FPGA处理芯片将锁存器中的数据同时且按地址顺序送入到双端口RAM1和双端口RAM2中。PCI总线传输模块的PCI接口通过桥接芯片将地址信息传送给电平转换芯片，电平转换芯片将地址信息转化为FPGA处理芯片能够接受的电平信息，并送入FPGA处理芯片的双端口RAM1。FPGA处理芯片内部的双端口RAM1将对应地址的数据通过电平转换芯片送入到桥接芯片，桥接芯片将数据再传送给PCI接口。USB调试模块的USB接口将串行的地址信息送入到驱动芯片中，驱动芯片将串行的地址信息转换为并行的地址信息并送入到FPGA处理芯片的双端口RAM2中。双端口RAM2将对应地址信息的数据送回到驱动芯片，驱动芯片将并行的数据信息转换为串行的，然后送入到USB接口。由于采用A/D采样模块，保证了模拟信号的高速、高精度采集和转化。由于采用PCI总线传输模块，实现了采集卡与计算机之间数据的高速和高抗干扰传输。由于采用USB调试模块，实现了在不用开关机和插拔采集卡的情况下，完成A/D采样模块和FPGA处理芯片的调试。实用性强。