24通道高精度A/D數(shù)據(jù)采集模塊的研制

在聲納系統(tǒng)中，需要對從外界輸入的聲信號數(shù)字化后才能進(jìn)行處理和分析。其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)模擬信號的采集及傳輸，它在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，而數(shù)字化的精度對后期數(shù)據(jù)處理的精度有著重要影響。本文采用24位∑-△A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)建24通道高精度數(shù)據(jù)采集模塊，滿足聲納系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集模塊的精度要求及采集通道的數(shù)量要求。

1 數(shù)據(jù)采集模塊的硬件結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)框圖

圖1給出本文中數(shù)據(jù)采集模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖，它由24路∑-△A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、雙向數(shù)據(jù)緩沖器、FPGA，TigerSharc DSP，F(xiàn)LASH，SDRAM、時鐘電路、復(fù)位電路及電源電路組成，其中∑-△A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)對模擬信號的采集轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)整個模塊的數(shù)據(jù)采集控制及數(shù)據(jù)緩沖，TigerSharc DSP負(fù)責(zé)整個模塊的協(xié)調(diào)及轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的預(yù)處理。下面對∑-△A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器及FPGA進(jìn)行介紹。

1.2 AD7762簡介

本文采用的∑-△A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是Analog公司的24位高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器AD7762，圖2是它的原理框圖。它具有如下特性：全差分調(diào)制器輸入、用于信號緩沖的片上差分放大器、可編程超采樣率、帶缺省或用戶可編程系數(shù)的低通FIR濾波器及用于多器件之間的同步輸入引腳。在實際電路的PCB設(shè)計中，由于AD7762是對噪聲敏感的模擬器件，所以在具體PCB設(shè)計時需要做到以下幾個方面：A／D模擬電源單獨供電、模擬地與數(shù)字地單點接地、差分輸入線等長且阻抗等于100 Ω、采用精確的參考電壓源。

1.3 采集控制邏輯原理及其FPGA實現(xiàn)

FPGA主要實現(xiàn)整個模塊的數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)緩沖及PCI總線控制器等功能。本文中FPGA采用Altera公司的CycloneⅡ系列EP2C20芯片，其中PCI總線控制器采用PCI IP核進(jìn)行設(shè)計，簡化PCI控制器的開發(fā)難度。圖3是FPGA內(nèi)部模塊的組成框圖。下面對其中PCI IP核及其局部接口控制、數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)緩沖FIFO的設(shè)計做介紹。

1.3.1 PCI IP核及其局部接口控制

本文采用Altera公司的PCI IP核進(jìn)行PCI總線協(xié)議的硬件實現(xiàn)，圖4是PCI IP核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。在具體設(shè)計中，使用MegaWizard例化PCI IP核，同時需要相應(yīng)的局部接口控制邏輯實現(xiàn)DSP與PCI IP核的連接。參見文獻(xiàn)。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊完成A／D初始化控制及A／D數(shù)據(jù)讀控制，其中A／D初始化控制完成對A／D內(nèi)部控制寄存器的寫操作，而A／D數(shù)據(jù)讀控制完成對A／D數(shù)據(jù)的正常讀取。具體控制邏輯根據(jù)AD7762的時序圖設(shè)計，圖5是用QuartusⅡ中的SignalTap獲取的數(shù)據(jù)采集模塊的時序波形。

1.3.3 數(shù)據(jù)緩沖FIFO

為了解決前端數(shù)據(jù)采集與后端數(shù)據(jù)傳輸在速率上的不匹配問題，在FPGA內(nèi)部設(shè)置一塊數(shù)據(jù)緩沖FIFO，大小為4 k×32 b，A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接存儲到FIFO中，而DSP對FIFO中數(shù)據(jù)的讀取通過中斷方式完成。數(shù)據(jù)緩沖FIFO通過MegaWizard例化，只需要少量的讀寫控制邏輯就可以使FIFO正常工作，而且FIFO的大小可以在FPGA提供的RAM位數(shù)范圍內(nèi)靈活設(shè)置。

2 數(shù)據(jù)采集模塊的程序設(shè)計

在模塊上電后FPGA從EPROM中加載配置數(shù)據(jù)，完成初始化后切換到用戶狀態(tài)，TigerSharc DSP通過主機(jī)進(jìn)行程序加載，程序隨之開始運行，在A／D完成初始化及同步后，自動將采集到的數(shù)據(jù)寫入FPGA內(nèi)部FIFO，DSP等待FIFO半滿中斷信號的產(chǎn)生，當(dāng)DSP檢測到中斷發(fā)生后，進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，將FIFO的數(shù)據(jù)讀入到DSP的片上存儲器，DSP通過LINK口將數(shù)據(jù)傳送到后續(xù)的信號處理模塊，另外也可以將數(shù)據(jù)直接存儲到數(shù)據(jù)采集模塊上的SDRAM上，由DSP進(jìn)行一些預(yù)處理后再將數(shù)據(jù)傳送到后續(xù)的信號處理模塊。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計的24通道數(shù)據(jù)采集模塊采用FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)緩沖及PCI總線控制器等功能，簡化了電路，提高模塊的可靠性和穩(wěn)定性，并有利于模塊的功能升級；同時采用∑-△A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，滿足了聲納系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集精度方面的要求；另外Tiger-Sharc DSP為數(shù)據(jù)的預(yù)處理也提供了相應(yīng)的處理能力。因此本文中的數(shù)據(jù)采集模塊具有較好的工程價值和廣泛的應(yīng)用前景。

作者：彭輝(浙江警官職業(yè)學(xué)院 杭州 310018) 來源：現(xiàn)代電子技術(shù)