高速PCI信號采集卡設計與實現綜合實例之：設計需求分析與功能定義

13.1設計需求分析與功能定義

為了更好地分析信號采集系統的設計需求，獲得正確的系統功能定義，首先來分析信號及信號采集系統的基本構成。

13.1.1信號與信號采集系統

信號一般可以分為模擬信號和數字信號，在信號采集中常常稱為模擬量和數字量。根據信號存在形式的差異，又可以將模擬信號分為直流信號、時域信號和頻域信號，將數字信號分為開關信號和脈沖序列。

信號采集系統是將目標信號進行采集、處理并存儲，形成計算機可以處理的數據格式，并最終進行各種形式輸出的系統。典型的信號采集系統主要包含3個部分，即信號輸入單元、信號處理單元和信號輸出單元。

如圖13.1所示為典型的信號采集系統的框圖。

1．信號輸入單元

信號輸入單元是接收信號源并將信號進行初步處理，形成數字信號的單元。對于模擬信號，一般需要進行信號調理及A/D轉換。對于數字信號，一般進行數據寬度、時鐘域變換等處理。

2．信號處理單元

信號處理單元是將信號輸入單元輸出的數字信號進行一系列處理的單元。一般使用CPLD/FPGA、DSP或者ASIC等單元進行信號處理。根據信號形式的不同，信號處理需要完成的工作也大不相同。

圖13.1典型信號采集系統框圖

3．信號輸出單元

信號輸出單元是將信號處理單元處理后的信號通過各種接口輸出。一般可以通過USB、網絡、ISA或者PCI總線等接口輸出處理后的信號。

4．其他單元

此外，為了滿足系統穩定運行，一個信號采集系統往往還包含數據緩沖區、時鐘以及電源等相關的系統。

13.1.2設計需求分析

更快、更準確地獲取及處理盡量多的數據是信號采集系統一直追求的目標。隨著傳感器技術和信號處理技術的發展，高速傳輸和實時處理成為信號采集系統面臨的新課題，也對典型信號采集系統的3個組成部分提出了更高的要求。

1．信號采集系統面臨的新課題

高速傳輸主要影響的是信號輸入和輸出單元。對于數字信號，就是更高的輸入頻率和更多的輸入通道數，對于模擬信號來說則意味著更高的分辨率，更高的采樣頻率以及更高的精度。同時高速傳輸還要求信號采集系統具有持續的以及突發的數據輸出能力。

實時處理主要影響的是信號處理單元。它要求信號采集系統能夠具備一定的數字信號快速處理能力，以便實時地為不同的輸出接口提供合適的數據格式。由于實時處理是信號采集過程的一個中間環節，因此實時處理的延遲不能造成信號采集的中斷，這也對信號處理單元提出了更高的要求。

2．本系統設計需求分析

在本案例中，信號采集系統需要采集的信號是數字信號。在高速信號傳輸中數字信號又常常以差分的形式存在，如LVDS。因此，本案例信號采集系統的信號輸入單元應能夠支持單端的LVTTL電平信號以及差分的LVDS信號。

隨著PC機性能的不斷提高，原來許多需要服務器甚至工作站才能完成的工作現在只需要一臺簡單的PC機就能夠很快實現。因此，基于PC機的信號采集系統是本案例的另一個需求，也就是說信號采集系統的信號輸出單元是基于PC機的。

另外，針對不同的應用場合，面對不同的信號形式，更多的用戶希望信號采集系統變成更加通用的系統，而不只是針對某種信號的專用采集系統。因此，具備二次開發即可編程能力的信號處理單元同樣是本信號采集系統的一個需求。

13.1.3選型及功能定義

本案例選擇基于FPGA、PCI總線及LVDS接口的設計，能夠滿足高速采集及實時處理的要求。

1．信號處理單元選型

首先，選用AlteraCyclone系列FPGA綜合考慮了邏輯、存儲器、鎖相環(PLL)和高級I/O接口，是價格敏感應用的最佳選擇。

在本案例中選用的CycloneEP1C6Q240是Cyclone系列FPGA的中級產品。具有5980個邏輯單元，內嵌20個M4KRAM塊（128*36bit），具有2個PLL，最大支持185個用戶I/O管腳資源。

2．信號輸入輸出單元選型

其次，PCI總線是滿足工業標準的應用最為廣泛的擴展標準之一。它是一種具有多路地址線和數據線的高性能的32/64位總線，是PC機中必備的總線結構。

PLXTech公司提供的PCI9054器件是一種支持32bit/33MHzPCI總線橋芯片。它符合PCI本地總線規范2.2版，突發傳輸速率達到132MB/s，本地總線支持復用/非復用的32位地址/數據，支持主模式、從模式以及DMA傳輸方式。

同時，為了實現信號采集系統對LVDS信號的支持，選用DS90LV048/DS90LV047作為LVDS信號接收/驅動器。它們均具有4路LVDS差分接收/驅動功能，支持高達400Mbit/s（200MHz）的轉換速率。通過它們可以實現LVDS信號與FPGA支持的CMOS/LVTTL信號進行轉換。

3．其他單元選型

另外，為了滿足PCI總線的DMA傳輸特性，需要在信號采集系統中加入一定量的緩沖區。采集的信號速率越高，需要的緩沖區容量越大，以保證不丟失數據。在本案例中，選用了Micron公司提供的MT48LC2M32SDRAM作為緩沖區。它是一款64Mb（512K*32*4banks）全同步SDRAM。

至此，一個基于PCI總線，支持高速LVDS/LVTTL信號采集，具有實時處理能力，可現場編程的信號采集系統完成選型。