姜日東，徐志躍

（北京航空航天大學(xué) 北京 100191）

PCI總線因其速度高、兼容性好、可靠性高且成本低等優(yōu)點使其在各種與主機通信的總線技術(shù)中優(yōu)勢很明顯[1]，而LVDS（Low Voltage Differential Signaling）通信協(xié)議采用數(shù)據(jù)串行化差分信號傳輸方式，可以有效地降低噪聲和低電磁干擾，具有低功耗、低噪聲、低成本等優(yōu)點使數(shù)據(jù)能在差分傳輸線或平衡電纜上以幾百兆比特/秒的速度傳輸[2]，因而廣泛應(yīng)用于高速信號傳輸?shù)膱龊现?。在基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡對LVDS數(shù)據(jù)接收過程中，底層板卡收到的每一幀數(shù)據(jù)通常是以中斷方式通知上位機來進行讀取。在某些工程項目中，上位機不僅要完成數(shù)據(jù)存儲而且還要對數(shù)據(jù)進行實時解析顯示，當(dāng)要接收的數(shù)據(jù)量很大，數(shù)據(jù)流很快時，經(jīng)常出現(xiàn)上位機來不及響應(yīng)底層板卡中斷而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。針對這一問題，本文設(shè)計了一種大容量LVDS數(shù)據(jù)采集卡，在板卡上增加了數(shù)據(jù)存儲模塊，既滿足在采集數(shù)據(jù)的過程中能夠?qū)?shù)據(jù)進行實時解析顯示也保證了所采集的數(shù)據(jù)能夠被無丟失地存儲下來。

1 PCI總線數(shù)據(jù)采集卡概述

本文所設(shè)計的基于PCI總線無時鐘LVDS數(shù)據(jù)采集卡主要接收產(chǎn)品發(fā)送過來的兩通道無時鐘LVDS數(shù)據(jù)。按功能該板卡可分為LVDS數(shù)據(jù)的接收模塊，基于NAND-FLASH的大數(shù)據(jù)量存儲模塊和PCI總線接口模塊。在采集數(shù)據(jù)的過程中，不需要上位機對數(shù)據(jù)進行存儲，采集卡會將數(shù)據(jù)先存儲在本地存儲器中，同時底層板卡每隔五幀數(shù)據(jù)以中斷的方式通知上位機讀取一幀數(shù)據(jù)進行實時解析顯示。等到本次數(shù)據(jù)接收完畢后，上位機再從底層板卡的存儲器中將接收到數(shù)據(jù)讀取上來進行文件存儲和后續(xù)的分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件總體設(shè)計

基于PCI總線LVDS數(shù)據(jù)采集卡硬件總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

本數(shù)據(jù)采集卡以CycloneⅢ系列FPGA為核心構(gòu)建，通過PCI－9054橋接芯片實現(xiàn)本地總線與PCI總線的通信，采用LVDS信號接收芯片完成差分信號到單端信號的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲模塊使用NAND－FLASH來實現(xiàn)。利用FPGA控制硬件的總體時序邏輯，完成對LVDS數(shù)據(jù)的采集、存儲以及上傳操作。板卡硬件實物如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集卡實物Fig.2 Physical map of data acquisition card

2.2 數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)接收模塊采用DS90LV048芯片將差分LVDS信號轉(zhuǎn)換成單端信號輸入到FPGA，該芯片具有4路轉(zhuǎn)換通道，最高轉(zhuǎn)換速率可達400Mbps。DS90LV048每路接收通道接有100歐的終端匹配電阻進行阻抗匹配。通過FPGA內(nèi)部的協(xié)議解析模塊完成串行信號到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，進而實現(xiàn)LVDS數(shù)據(jù)的采集和存儲[3]。

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計

該模塊采用兩片型號為K9F8G08U0M的NAND－FLASH實現(xiàn)本地采集數(shù)據(jù)的存儲，K9F8G08U0M具有1Gbyte的數(shù)據(jù)存儲容量，數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用，并行數(shù)據(jù)傳輸，除了8路I/O引腳與FPGA直接相連外，控制引腳如CE_等均通過電阻上拉后再與FPGA相連。

2.4 PCI總線接口設(shè)計

PCI總線接口模塊采用FPGA與PCI－9054橋接芯片來實現(xiàn)PCI總線和局部（Local）總線之間的信息傳遞。PCI－9054提供了PCI，EEPROM，LOCAL總線3個接口，其作為橋接芯片在PCI總線與LOCAL總線之間傳遞信息，既可以作為2個總線的主控設(shè)備去控制總線也可以作為2個總線的目標(biāo)設(shè)備去響應(yīng)總線。本采集卡的PCI－9054工作在C模式下，芯片上的模式選擇引腳MODE[1：0]都置低，在該模式下PCI總線中的地址線與數(shù)據(jù)線被分開，編程控制較為簡單。Local總線即為PCI－9054與FPGA互聯(lián)部分，F(xiàn)PGA需要配合LOCAL總線信號，產(chǎn)生相應(yīng)的時序，實現(xiàn)讀寫功能[4]。其中重要的通信引腳有LA[31：2]（地址）、LD[31：0]（數(shù)據(jù)）、LHOLD（總線請求）、LHOLDA（總線）應(yīng)答，LADS#（地址周期開始）、READY#（局部總線準(zhǔn)備好）、LINT#（局部中斷）等。PCI－9054內(nèi)有兩路DMA數(shù)據(jù)傳輸通道，可以使數(shù)據(jù)在PC機與PCI板卡之間進行高速傳輸[5]。本文所設(shè)計的LVDS數(shù)據(jù)采集卡即采用DMA數(shù)據(jù)傳輸方式來實現(xiàn)本地存儲數(shù)據(jù)的快速上傳。

PCI－9054芯片上電的時候要從外部EEPROM讀取數(shù)據(jù)信息來配置內(nèi)部寄存器、板卡的硬件資源要求以及選擇PCI－9054的工作方式，因此EEPROM的配置信息是十分必要的[6]。本文所設(shè)計的LVDS數(shù)據(jù)采集卡的EEPROM選用ST93C56芯片，PCI－9054的配置方式為數(shù)據(jù)總線32位寬度，支持DMA數(shù)據(jù)傳輸方式，分配地址空間大小為4M。

3 FPGA內(nèi)部各功能模塊的開發(fā)

本采集卡的核心單元FPGA采用Verilog語言進行開發(fā)[7]，按照功能分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、總線控制3個功能模塊，通過編程實現(xiàn)對各個功能模塊的調(diào)用[8]。FPGA內(nèi)部功能模塊如圖3所示。

圖3 FPGA內(nèi)部各功能模塊Fig.3 Function modules inner FPGA

為了防止數(shù)據(jù)丟失，各個模塊之間的數(shù)據(jù)在傳輸時都通過FIFO進行緩沖，所以本采集卡在FPGA內(nèi)部開辟了3個用于數(shù)據(jù)緩存的FIFO。分別是數(shù)據(jù)直接上傳FIFO，數(shù)據(jù)存儲FLASH FIFO和FLASH數(shù)據(jù)上傳FIFO。每個FIFO的容量都是兩幀數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)從接收模塊向存儲模塊傳輸時要經(jīng)過數(shù)據(jù)存儲FLASH FIFO進行緩沖，當(dāng)數(shù)據(jù)從接收模塊向上位機傳輸時由數(shù)據(jù)直接上傳FIFO對其進行緩沖，當(dāng)數(shù)據(jù)由FLASH芯片向上位機傳輸時則通過FLASH數(shù)據(jù)上傳FIFO進行緩沖。

3.1 無時鐘LVDS數(shù)據(jù)接收模塊的開發(fā)

根據(jù)采集卡的設(shè)計要求和目的可知，需要接收的LVDS串行數(shù)據(jù)沒有時鐘及相應(yīng)的同步信號，傳送過來的只有5 Mbit/s的串行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，每個字節(jié)共十位，包括1位起始位，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。發(fā)射端以固定周期發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)的開始處設(shè)有幀頭。因此數(shù)據(jù)采集功能可分為字節(jié)提取與數(shù)據(jù)判斷傳送兩部分。字節(jié)提取部分將傳送過來的串行10 bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成8 bit字節(jié)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)判斷與傳送部分將采集到的字節(jié)數(shù)據(jù)進行判斷，如果檢測到幀頭就開始一幀數(shù)據(jù)的向外傳送存儲操作，直到傳完一幀數(shù)據(jù)為止。

字節(jié)提取部分：傳送過來的數(shù)據(jù)是5 Mbit/s，板卡采用40 M時鐘，所以要對本地時鐘進行分頻產(chǎn)生5 M的采樣時鐘，由于發(fā)送端時鐘與本地時鐘不同，采用本地產(chǎn)生的時鐘會產(chǎn)生累積誤差，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)錯位。因此采集卡的采集時鐘每個字節(jié)同步一次，用本地的40 M時鐘來對起始位進行檢測，如果檢測到起始位則立即產(chǎn)生5 M的采集時鐘用于后續(xù)的數(shù)據(jù)采集，在停止位取消采集時鐘。本模塊設(shè)有一個八位的串并轉(zhuǎn)換移位寄存器，當(dāng)檢測到起始位并且采樣時鐘啟動時，該寄存器逐位接收到來的串行數(shù)據(jù)，同時依據(jù)采樣時鐘逐位右移，直到經(jīng)過八個采樣時鐘遇到停止位為止，此時該寄存器的數(shù)據(jù)即為接收到的并行數(shù)據(jù)。為了防止毛刺信號的干擾導(dǎo)致對一字節(jié)起始位的誤判或漏判，每次檢測到一個字節(jié)的起始位后再進行采集檢測一次，連續(xù)兩次采到的起始位電平一致則確定是有效起始位，進而產(chǎn)生采樣時鐘進行采集。

數(shù)據(jù)判斷與傳送部分：當(dāng)數(shù)據(jù)采集部分采完一字節(jié)數(shù)據(jù)后，會以標(biāo)志位的方式通知數(shù)據(jù)判斷與傳送部分進行幀頭判斷，如果判斷到幀頭則認為一幀數(shù)據(jù)到來，對后續(xù)接收到的數(shù)據(jù)均傳進數(shù)據(jù)存儲FLASH FIFO中，直到傳完一幀數(shù)據(jù)為止，然后等待下一幀數(shù)據(jù)的到來重新判斷幀頭。同時按照設(shè)計要求，為了減輕上位機的負擔(dān)，底層板卡每接收到五幀數(shù)據(jù)向上位機傳送一幀數(shù)據(jù)來進行實時解析顯示。因此該模塊設(shè)有一計數(shù)器，對接收到的幀數(shù)進行計數(shù)，當(dāng)收到五幀數(shù)據(jù)時，在將一幀數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)存儲FLASH FIFO中的同時也傳進數(shù)據(jù)直接上傳FIFO中，并通過中斷通知上位機以DMA方式從數(shù)據(jù)直接上傳FIFO中讀取數(shù)據(jù)進行實時解析顯示。

3.2 數(shù)據(jù)存儲模塊的開發(fā)

數(shù)據(jù)存儲模塊實時檢測數(shù)據(jù)存儲FLASH FIFO中是否有一幀數(shù)據(jù)存在，如果有則將一幀數(shù)據(jù)存入FLASH芯片中。當(dāng)數(shù)據(jù)采集結(jié)束，上位機要讀取FALSH芯片中的數(shù)據(jù)時，該模塊也要檢測FLASH數(shù)據(jù)上傳FIFO是否為空，如果為空則從FLASH芯片中取出兩幀數(shù)據(jù)存入到FLASH數(shù)據(jù)上傳FIFO中，并以中斷的方式通知上位機來進行讀取，當(dāng)FLASH數(shù)據(jù)上傳FIFO又為空時，數(shù)據(jù)存儲模塊繼續(xù)向其傳送數(shù)據(jù)，直到接收的所有數(shù)據(jù)都被上位機取走為止。因為NAND－FLASH本身存在壞塊問題，所以每次上電后該接口模塊首先對硬件進行一次壞塊搜索，在后續(xù)的操作過程中將壞塊屏蔽掉。

3.3 總線控制模塊的開發(fā)

總線控制模塊接收來自上位機通過PCI－9054發(fā)送過來的指令進行相應(yīng)的操作，同時配合上位機進行數(shù)據(jù)的DMA傳輸操作，該模塊循環(huán)查詢LADS#信號，當(dāng)其為低時說明PCI總線對本地發(fā)起總線操作，如果LOCAL端完成相應(yīng)的指令操作或要上傳的數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好就及時給出READY#信號釋放總線。

4 系統(tǒng)調(diào)試

為了驗證板卡功能，采用一塊無時鐘LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送板卡與設(shè)計的無時鐘LVDS數(shù)據(jù)接收板卡相連，發(fā)送板卡以固定周期發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的格式按照工程協(xié)議要求設(shè)定。觀察接收板卡測試界面顯示接收的數(shù)據(jù)。試驗板卡連接如圖4所示。

圖4 無時鐘LVDS數(shù)據(jù)接收試驗Fig.4 Experiment of receiving non-clock LVDS signal

測試結(jié)果如圖5所示：從實驗結(jié)果可知接收數(shù)據(jù)顯示界面的顯示結(jié)果和發(fā)送板卡的發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容完全一致，說明本采集卡能夠很好地接收無時鐘LVDS數(shù)據(jù)。

圖5 實驗結(jié)果Fig.5 Experiment of receiving non-clock LVDS signal

5 結(jié) 論

文中設(shè)計了一種基于PCI總線的無時鐘LVDS數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡結(jié)構(gòu)緊湊，工作穩(wěn)定，并且在該板卡的基礎(chǔ)上對無時鐘LVDS數(shù)據(jù)接收問題進行了分析研究，通過每字節(jié)同步接收時鐘的方式保證了接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，板卡上自帶的大容量存儲器即使在上位機負擔(dān)較重的情況下仍能保證數(shù)據(jù)的無丟失接收，該板卡可廣泛應(yīng)用于航空測控領(lǐng)域。在教學(xué)試驗中，學(xué)生可利用該板卡學(xué)習(xí)verilogHDL語言對FPGA的開發(fā)及PCI總線的相關(guān)操作，有助于提高自身的專業(yè)技能。

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