許永輝， 楊俊超， 孫永勝2， 葛超凡

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動化測試與控制研究所，黑龍江 哈爾濱 150001；2.廣東省江門市新會機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 江門 529000)

為滿足某數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求，研制一款基于Zynq7000的數(shù)據(jù)采集板卡。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集板卡由CPU+控制邏輯+通信接口控制器組成，此類設(shè)計(jì)占用空間較大，通信速率較低，可靠性較差；Zynq7000本身具有CPU+可編程邏輯的架構(gòu)和用于內(nèi)部通信的高速AXI總線。因而，以Zynq7000作為控制器的數(shù)據(jù)采集板卡具有集成度高、體積小、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]，且有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Zynq7000 處理器是Xilinx公司研發(fā)的新一代可編程邏輯與Cortex-A9 ARM處理器相結(jié)合的處理平臺。其可編程邏輯部分被稱為PL(Programmable Logic)，該部分可進(jìn)行系統(tǒng)可編程邏輯的開發(fā)；ARM部分被稱為PS(Processing System)，可進(jìn)行C/C++程序語言開發(fā)。PL部分包含充足的可編程邏輯單元和DSP單元；PS部分集成了雙核ARM架構(gòu)的Cortex-A9內(nèi)核，該內(nèi)核具有雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算引擎，此外，PS部分集成了DDR3控制器、千兆以太網(wǎng)控制器、PCIe總線控制器以及其他常用外設(shè)[3-4]。數(shù)據(jù)采集板卡的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，Zynq7000作為主控制器，通過控制AD7606芯片的A/D轉(zhuǎn)換過程實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)采集；利用DDR3將數(shù)據(jù)緩存；通過千兆以太網(wǎng)接口接收上位機(jī)的指令和緩存數(shù)據(jù)上傳。

16路模擬信號經(jīng)過前端隔離調(diào)理電路、AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，在Zynq7000的PL部分處理成為數(shù)字信號；通過內(nèi)部AXI總線傳輸?shù)絇S部分；PS部分利用DDR3實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存，PS通過千兆網(wǎng)口接收PC上位機(jī)命令、上傳采集數(shù)據(jù)[5]。

2 數(shù)據(jù)采集電路硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要功能及性能指標(biāo)如下。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

① 16通道；

② 總采樣率:1600 kS/s；

③ 單通道采樣率:100 kS/s；

④ 分辨率：16-bit；

⑤ 輸入范圍：±36 V；

⑥ 傳輸速率：>100 Mbits/s；

⑦ 緩存容量：1 GB；

⑧ 連續(xù)采樣時間上限：300 s；

⑨ 緩存數(shù)據(jù)上傳時間：<60 s。

2.1 前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)

前端調(diào)理電路采用ADI公司的AD215芯片滿足速度和隔離要求。AD215是一種應(yīng)用廣泛的放大器，以15 V電源供電，具有精度高、功耗低、共模性能好、成本低的特點(diǎn)。其內(nèi)部集成了變壓器耦合、整流、三階濾波等功能，能起到較好的隔離、穩(wěn)流和濾波作用。在滿足-3 dB帶寬的采樣要求時， AD215可支持100 kS/s采樣率。前端調(diào)理電路圖如圖2所示。

圖2 前端調(diào)理電路圖

in+和in-為輸入模擬信號，調(diào)整分壓(平衡)電阻R1～R3的值可以獲得不同的輸入范圍，Sout是隔離放大后的輸出信號[6]。

2.2 ADC電路設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片均選擇ADI公司的AD7606芯片。AD7606的主要特性如下：① 16位精度逐次比較模數(shù)轉(zhuǎn)換器；② 5 V模擬單電源供電；③ 可選8/6/4通道同步采樣輸入；④ 最高能以200 kS/s的速率在全通道采樣;⑤ 雙極性模擬輸入，范圍±10 V和±5 V可選；⑥ 支持串行和并行輸出；⑦ 低功耗[7]。AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖

A/D電路采用+5 VSA電源供電；VCC3為數(shù)字電源； PAR/SER/BYTE_SEL引腳接高電平，設(shè)定為串行輸出模式；Vin0～7為8路模擬輸入信號，也是8通道前端調(diào)理電路輸出。片選信號CS、轉(zhuǎn)換開始信號CONVST_A和CNOVST_B、數(shù)據(jù)讀取信號RD/SCLK、復(fù)位信號RESET接在PL的輸出引腳，用來控制轉(zhuǎn)換過程；首數(shù)據(jù)可讀信號FRSTDATA、轉(zhuǎn)換忙碌信號BUSY接在PL的輸入引腳，用來判斷轉(zhuǎn)換進(jìn)度；數(shù)據(jù)輸出端 DOUTA和DOUTB連接主控芯片的PL部分輸入端，用來接收輸出數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)采集控制邏輯設(shè)計(jì)

AD7606轉(zhuǎn)換采集過程由AD7606接口和功能邏輯完成，轉(zhuǎn)換過程的時序圖如圖4所示。

圖4 AD7606轉(zhuǎn)換時序圖

AD7606開始轉(zhuǎn)換時CONVST應(yīng)處于上升沿，即從低電平上升到高電平。BUSY信號跳轉(zhuǎn)為高電平表示模數(shù)轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行中，并在轉(zhuǎn)換結(jié)束時返回低電平。當(dāng)片選信號CS和數(shù)據(jù)讀取輸入控制信號RD有效時，使能輸出，順序讀取通道V1～V4和V5～V8的數(shù)據(jù)[6]。

具體實(shí)現(xiàn)邏輯的轉(zhuǎn)換狀態(tài)機(jī)如圖5所示。

圖5 AD7606轉(zhuǎn)換狀態(tài)機(jī)

程序空閑態(tài)為IDLE STATE，所有狀態(tài)在RST_n=0條件下進(jìn)入IDLE STATE；輸出端口CONVST上升沿開啟轉(zhuǎn)換過程，進(jìn)入CONV STATE；BUSY信號上升沿表示模數(shù)轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行中，程序進(jìn)入BUSY_HIGH STATE；轉(zhuǎn)換結(jié)束時BUSY信號返回低電平，程序在BUSY信號下降沿進(jìn)入BUSY_LOW STATE；此時將片選信號CS拉低生效，進(jìn)入CS_LOW STATE，等待第一個數(shù)據(jù)輸出；FRSTDATA信號上升沿表示第一個數(shù)據(jù)將要在輸出端口出現(xiàn)；在READ STATE狀態(tài)分別在DOUTA和DOUTB串行讀出通道V1～V4和V5～V8的數(shù)據(jù)；DOUTA和DOUTB均接收64位數(shù)據(jù)后程序進(jìn)入等待結(jié)束態(tài)WATE_END STATE，并將各通道數(shù)據(jù)輸出；在WATE_END STATE中等待計(jì)數(shù)器歸零，返回空閑態(tài)[6]。

AD7606采集數(shù)據(jù)后，由PL邏輯控制數(shù)據(jù)流向， AD7606控制邏輯的實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。

圖6 AD7606控制邏輯框圖

數(shù)據(jù)完成轉(zhuǎn)換后被放入兩個雙口RAM中，PS從RAM1讀取最新值；PL控制邏輯從RAM2讀取數(shù)據(jù)緩存至FIFO，防止PS沒有及時讀取數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)丟失；FIFO的緩存時間間隔可以設(shè)定；FIFO緩存起止可控，數(shù)據(jù)個數(shù)可讀，數(shù)據(jù)存滿后暫停緩存。

2.4 AXI數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制設(shè)計(jì)

PL 部分解算后的數(shù)據(jù)經(jīng)由AXI總線傳輸至PS部分。AXI協(xié)議是基于burst的傳輸，支持高性能、高頻率系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在Zynq7000中AXI總線分為3種。

① AXI4：主要面向高性能地址映射通信的需求，是面向地址映射的接口，允許最大256輪的數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸。

② AXI4-Lite：是一個簡單的吞吐量地址映射性通信總線。

③ AXI4-Stream：面向高速流數(shù)據(jù)傳輸，去掉了地址項(xiàng)，允許無限制的數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸規(guī)模。

AXI總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)由PL傳輸至PS機(jī)制的框圖如圖7所示。

圖7 基于AXI數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制框圖

如圖7所示，“最新數(shù)據(jù)”通過AXI-Lite總線傳輸，“用于DDR3緩存數(shù)據(jù)”通過AXI4-Stream總線傳輸。在PL部分調(diào)用對應(yīng)的AXI控制器IP核，在PS部分添加相應(yīng)的接口控制軟件，實(shí)現(xiàn)AXI的調(diào)用。同時，PS還通過AXI-Lite總線實(shí)現(xiàn)對PL邏輯的控制，空閑時間PS通過AXI4-Stream總線將數(shù)據(jù)搬移至大容量的DDR3 DRAM中緩存。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PS軟件程序設(shè)計(jì)

PS 部分首先初始化外設(shè)，而后作為網(wǎng)絡(luò)連接的服務(wù)器端，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)套接字，開啟網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽；在確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)連接成功并收到上位機(jī)數(shù)據(jù)后，根據(jù)命令號選擇執(zhí)行功能函數(shù)。功能函數(shù)基本內(nèi)容是：PS將需要執(zhí)行的命令通過AXI總線發(fā)送到PL部分，PL部分執(zhí)行完成后向PS返回?cái)?shù)據(jù)，PS通過網(wǎng)口將解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)顯示。各個任務(wù)的功能函數(shù)如表1所示。

PS軟件程序流程圖如圖8所示。

表1 PS功能函數(shù)表

圖8 PS軟件程序流程圖

3.2 上位機(jī)軟面板設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要功能如下。

① 網(wǎng)絡(luò)連接可選服務(wù)器IP功能；

② 讀取并顯示最新數(shù)據(jù)功能；

③ 設(shè)置FIFO參數(shù)功能；

④ 清空DDR3緩存功能；

⑤ 讀取DDR3緩存?zhèn)€數(shù)功能；

⑥ 讀取并顯示緩存數(shù)據(jù)功能。

根據(jù)功能要求，設(shè)計(jì)上位機(jī)界面如圖9所示。此界面包括網(wǎng)絡(luò)連接、最新數(shù)據(jù)讀取、緩存控制、緩存讀取4個部分，能夠較為清晰地實(shí)現(xiàn)上述功能。

4 測試結(jié)果

利用Agilent53131A信號發(fā)生器和SUING SS3325直流穩(wěn)壓源在各個通道輸入正弦波或-40～+40 V直流信號，回讀板卡數(shù)據(jù)并與MSO6012A示波器測試結(jié)果比對。由于系統(tǒng)采集測試要求16路采樣通道、采樣速率每通道100 kS/s以及AD7606精度為16位，可以推出滿采樣率時，全通道采樣速率為

圖9 上位機(jī)軟面板圖

16×16×100=25600 Kbits/s=25.6 Mbits/s

按照連續(xù)采樣時間上限為300 s的設(shè)計(jì)指標(biāo)，緩存容量應(yīng)大于：

25.6×300=7680 Mbits=0.94 GB

緩存容量的設(shè)計(jì)指標(biāo)為1 GB，大于需求。因此緩存容量設(shè)計(jì)合理。

設(shè)計(jì)指標(biāo)要求緩存上傳時間小于60 s。考慮到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂勺x性，有效數(shù)據(jù)傳輸會加上一定的協(xié)議，以幀的形式完成傳輸。本設(shè)計(jì)有效數(shù)據(jù)約為整體數(shù)據(jù)的4/5(不考慮TCP/IP協(xié)議傳輸本身的報(bào)文頭等)。所以，當(dāng)緩存存滿時開始上傳，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率應(yīng)不小于：

8196×1.25÷60=170.75 Mbit/s

結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)上傳的網(wǎng)速需求已經(jīng)超過了百兆以太網(wǎng)的理論帶寬，采用百兆以太網(wǎng)無法滿足緩存上傳的時間要求。千兆以太網(wǎng)的網(wǎng)速可以滿足性能要求，且還有較大的冗余帶寬分配給上位機(jī)發(fā)送控制指令。

對采樣板卡的性能指標(biāo)進(jìn)行測試，測試結(jié)果比對如表2所示。

表2 測試結(jié)果與要求指標(biāo)比對表

測試結(jié)果顯示，該采集板卡的性能符合預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 結(jié)束語

充分利用Zynq7000的PL和PS資源，研制了一款基于Zynq7000的模擬數(shù)據(jù)采集板卡。在PL部分，開發(fā)AD7606解析邏輯和緩存邏輯，完成對各路模擬數(shù)據(jù)的采集和緩存；在PS部分，開發(fā)千兆網(wǎng)口和DDR3接口的控制軟件，實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)指令和數(shù)據(jù)上傳。測試結(jié)果表明，板卡運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足各項(xiàng)功能指標(biāo)和性能指標(biāo)要求，為多通道網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集提供了一種切實(shí)可行的解決方案，具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。