基于CPCI總線的一體化數據處理中心的研究與實現

摘要：為了滿足工業控制系統多功能和數據處理能力的需求，設計了基于CPCI總線的一體化數據處理中心。系統以FPGA芯片為硬件控制核心，利用硬件描述語言Verilog進行編程，采用自頂向下和模塊化的設計方法，實現了在同一嵌入式產品上集成光纖通信、A／D、D／A、CPCI總線、SDRAM存儲等功能，實現了系統的一體化、小型化。實際應用表明本系統穩定可靠、易于維護，滿足工業控制領域的需求。
關鍵詞：CPCI；FPGA；一體化；數據處理中心

近年來，隨著工業控制技術的發展，在工業控制領域中，對控制系統的功能、靈活性和數據處理能力提出了更高的需求，本文從實際工程應用出發，研究并實現了一種基于CPCI總線的一體化可配置數據處理系統。
本設計利用可配置的現場可編程門陣列(FPGA)與具有高可靠性、高密度性的CPCI總線相結合的方法，將眾多數據處理功能集成在同一個嵌入式系統板卡上，實現了系統的一體化、小型化。

1 系統總體結構
本系統主要由上位機管理子系統、遠程監控子系統和數據處理子系統組成，總體結構如圖1所示。

上位機管理系統主要用于顯示系統工作狀態并提供人機交互界面。遠程監控系統通過光纖連接到距離系統1 km以外的位置，實現系統的遠程監控。數據處理子系統包括CPCI-6020單板計算機和FTC-9110數據處理單板兩部分，CPCI-6020單板計算機用于解釋上位機發送的命令并對數據處理中心進行控制。FTC-9110數據處理單板是數據處理的核心部分，也是文中介紹的重點，其整體實現結構如圖2所示。

FTC-9110數據處理中心以FPGA為硬件處理核心，通過內部構建的ADC控制模塊、DAC控制模塊、FLASH模塊、SDRAM存儲模塊、光纖通信模塊、PCI總線模塊實現對外圍設計的A／D數據采集電路、D／A數據輸出電路、FLASH存儲電路、SDRAM數據存儲電路、光纖通信電路以及CPCI總線接口電路的控制，通過與單板計算機的靈活配合，實現對數據的實時處理、高速傳輸。

2 數據處理流程
系統的數據處理主要以FTC-9110為中心，利用單板計算機對FPGA內部構建的各個模塊的靈活控制，實現數據的處理，其數據處理流程如下：
1)利用ADC芯片前端設計的信號調理電路，將輸入的單端模擬信號轉換為差分信號送入芯片的差分輸入端。
2)ADC芯片對輸入的信號進行采樣，并將采樣所得數字信號傳送至FFT算法模塊。
3)利用FFT算法模塊對采集數據進行頻域分析，分析數據的結果傳送至FIR濾波模塊作為濾波輸入信號，濾波后輸出數據傳送至光纖通信模塊。
4)光纖通信模塊通過高速并串轉換模塊對濾波輸出數據進行8B／10B編碼，將16位的數據轉換為20位的串行數據，輸出速率最高可達1．5 Gbps，然后該高速串行數據進入光電轉換模塊，傳送至遠程監控系統。
5)單板計算機控制PCI9656工作在DMA傳輸模式，通過PCI總線模塊和SDRAM存儲模塊將DAC輸入數據寫入SDRAM芯片。
6)讀取SDRAM芯片數據傳送至DAC控制模塊，DAC芯片對輸入數據進行數模轉換，并通過后端設計的調理電路，使信號最終以電壓形式輸出。