基于CPCI和光纤接口的数据采集卡设计与实现

摘要：设计了一套基于CPCI总线，PCI9054桥接芯片和可编程逻辑器件(FPGA)的高速数据采集卡。FPGA作为本地主控芯片，根据工控机经PCI9054转发的采集命令，通过光纤接口实现与雷达接收机的通信。采用高速RAM缓存数据，采集的接收机测试差模电感数据的分析结果可在工扁平型电感控机上显示，从而实现了对雷达接收机性能的快速测试。该采集卡具有较强的通用性和可扩展性，详细介绍了高速数据采集卡的组成和工作原理、硬件设计。
关键词：光纤接口；CPCI总线；P电感生产CI9054；FPGA；雷达接收机测试

随着雷达技术的发展和雷达型号的增多，现代雷达接收机数据处理速度显著提高。因此，在雷达接收机的测试和维护中，对接收机测试系统的数据处理能力、可扩展性等性能要求也在不断提高。传统的雷达接收机测试系统由于专用性强、兼容性差、扩展能力不足，而CPCI总线的通用性、高可靠性和抗震动性使其在雷达信号处理板中得到广泛的应用。同时，由于传输高速雷达信号的需求，光纤在雷达系统中得到了广泛的应用。基于以上分析，本文设计并实现了一种基于光纤接口，使用CPCI总线通信的高速、通用性强的高速数据采集卡。通过实际测试，该采集卡可以很好地完成数据采集等雷达接收机测试的功能，并具有较好的通用性和可扩展性。

1 系统设计
高速数据采集卡主要由StratixⅡGX FPGA、光纤接口、SRAM、PCI9054桥接芯片等构成。本系统设计的目的是应用于雷达数据的采集和分析，为了高速、可靠地传输雷达信号，决定采用光纤作为传输媒介，充分利用光纤传输损耗小、抗干扰能力强、传输速率高等优点。
采用FPGA作为信号采集系统的核心，这种方式最大的优点就是结构灵活，有较强的通用性，适合模块化设计，能够提高效率，同时其开发周期较短，系统容易维护和扩展。图1是该系统的硬件框图。

其工作流程如下：PC机通过CPCI接口将采集命令等送入FPGA，FPGA对命令进行译码，通过光纤接口向雷达接收机发出参数设置命令，然后通过光纤接口接收采集的雷达接收机数据。光纤接口将光信号转换成串行电信号送入FPGA，FPGA对数据进行串／并转换、数据缓冲等所必须的信号处理过程，然后存储到高速RAM中。当计算机发出数据传输命令后，再将数据通过CPCI总线送入计算机进行存储、分析处理和显示等。同时系统还保留了一部分电信号的接口，便于和现有的系统兼容。

2 系统硬件设计
2．1 时钟设计
系统中FPGA的时钟信号由一个125 MHz晶振直接提供，PCI9054的时钟由一个40 MHz晶振提供。高速RAM和光纤接口的时钟信号则是由FPGA通过内部的PLL提供。因为时钟信号是非常敏感的信号，所以要尽量减少反射和串扰等一些问题。在时钟信号线上串接适当的匹配电阻可以有效地减少反射，减少串扰则需要在时钟走线周围留出额外的空间。在本设计中，将时钟线单独放在两个地平面层中间的一层，保证了时钟信号的完整性。
2．2 CPCI接口设计
目前，PCI接口的设计有两种方法，一种为使用专用的PCI接口芯片来设计，这种方法相对来说较为简单；另一种方法是利用FPGA进行设计，这种方法比较复杂，开发难度较大。本设计采用第一种方法，即采用PCI9054接口芯片实现PCI总线。
PCI9054芯片适用于通用的32位、33 MHz的局部总线设计。它的本地总线可为三种模式：M模式，C模式和J模式，可利用模式选择引脚加以选择。本设计选用C模式，即32位的地址／数据总线非复用。
PCI9054提供了三种物理总线接口：PCI总线接口、LOCAL工型电感器总线接口、串行EPROM接口。CPCI接口设计思路是：FPGA通过PCI9054与PCI总线相连，在FPGA内部实现PCI本地端的时序控制。PCI9054芯片内部2个独立DMA通道，可以实现系统数据在PC机内存与数据采集卡之间的高速传输。PCI9054接口电路如图2所示。

CPCI数据采集卡的上电工作差模电感器流程是：将PCI卡插到工控机插槽中后系统上电自检，此时PCI9054的RST#复位，PCI9054芯片检测E2PROM是否存在，如果存在，PCI9054会根据E2PROM的配置信息初始化其内部寄存器，BIOS根据PCI9054配置寄存器的内容进行系统资源分配，进入系统后安装PCI9054驱动。由以上进程可以看出，E2PROM的配置对于CPCI的正常工作起着重要的作用。

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