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双通道高速A/D模块研制
作 者: 俞敏敏
导 师: 孟升卫
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 仪器科学与技术
关键词: 高速数据采集 PCI Express FPGA DDR2 SDRAM
分类号: TP274.2
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 157次
引 用: 2次
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内容摘要
随着数字技术的高速发展,许多应用领域中对数据采集系统的性能要求越来越高,需要高采样率和大容量缓存的同时,还需要一个高性能计算机I/O总线作为通信接口。本文主要研究了基于PCI Express总线的双通道高速数据采集模块的软硬件实现方法,综合运用高速ADC、FPGA、DDR2和PCI Express桥接芯片等技术,模块最终实现了最高198MSa/s采样率,具有13位分辨率和256MB缓存。在硬件设计上,根据模块的技术指标,分析论证并提出了各个硬件电路设计方案,对关键芯片的选型,给出了较为详细的论述。在前端通道设计中,实现了AC/DC交直流耦合、1MΩ/50Ω输入阻抗、可编程放大/衰减和低通滤波等功能;采用专用时钟发生芯片来产生ADC所需的采样时钟,选用孔径抖动小的采样时钟能有效的提高ADC动态性能。在高速大容量缓存设计中,选择DDR2 SDRAM作为模块板载存储器,使缓存深度达到256MB,并且DDR2具有很高的数据传输带宽,满足本模块双通道ADC采样数据的实时缓存。在PCI Express总线接口设计中,采用专用桥接芯片PEX8311,提高了设计的可靠性。该芯片实现了PCI Express总线到本地总线的协议转换,具有丰富的本地总线操作和数据传输模式,为用户提供了强大的本地总线操作方案。本模块采用FPGA作为主控制器,实现了对采集数据、数据缓存、触发和各个电路的控制。根据信号完整性理论,给出了针对FPGA、DDR2和PCI Express高速接口中高速信号的电路设计方案和印制电路板布局布线方案,保证了高速信号的质量。在软件设计上,采用Microsoft Visual Studio和NI Measurement Studio作为软件开发平台,利用PLX公司的软件开发包,设计了具有数据采集控制、数据显示控制、采样率设置、采样通道参数设置、触发参数设置、自检和硬件复位等功能的上位机应用程序。本文最后给出了模块的测试及性能分析。测试分析结果表明,双通道高速A/D模块的功能和各项技术指标符合设计要求。
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全文目录
摘要 4-5 Abstract 5-10 第1章 绪论 10-15 1.1 课题研究的目的及意义 10-11 1.2 国内外研究现状分析 11-13 1.2.1 高速数据采集研究现状分析 11-12 1.2.2 PCI Express 总线发展现状分析 12-13 1.3 论文主要研究内容 13 1.4 本文结构 13-15 第2章 总体设计方案 15-24 2.1 数据采集模块技术指标 15 2.2 硬件总体设计方案 15-21 2.2.1 数据采集总体设计方案 16-18 2.2.2 高速大容量缓存设计方案 18-19 2.2.3 PCI Express 接口设计方案 19-20 2.2.4 高速电路板信号完整性设计方案 20-21 2.3 软件总体设计方案 21-23 2.3.1 模块驱动程序设计方案 22 2.3.2 模块应用程序设计方案 22-23 2.4 本章小结 23-24 第3章 硬件电路设计 24-53 3.1 主控制器FPGA 选型 24-25 3.2 前端通道设计 25-32 3.2.1 信号调理电路设计 25-29 3.2.2 ADC 电路设计 29-30 3.2.3 采样时钟发生电路设计 30-32 3.3 DDR2 接口电路设计 32-35 3.3.1 DDR2 电平规范 32-33 3.3.2 接口电路设计 33-34 3.3.3 DDR2 接口PCB 设计 34-35 3.4 PCI Express 总线接口电路设计 35-42 3.4.1 桥接芯片PEX8311 简介 35-36 3.4.2 PEX8311 接口电路设计 36-38 3.4.3 PEX8311 数据传输模式 38-39 3.4.4 PEX8311 配置电路设计 39-40 3.4.5 PCI Express 接口PCB 设计 40-42 3.5 模块电源设计 42-45 3.5.1 模块电源需求分析 42-43 3.5.2 模块电源系统设计 43-45 3.6 FPGA 控制逻辑设计 45-52 3.6.1 模块整体控制逻辑框图 45-46 3.6.2 模块前端通道控制逻辑设计 46-48 3.6.3 DDR2 SDRAM Controller v9.0 配置和使用 48 3.6.4 DDR2 SDRAM 本地接口逻辑设计 48-50 3.6.5 触发控制逻辑设计 50-51 3.6.6 PEX8311 本地接口逻辑设计 51-52 3.7 本章小结 52-53 第4章 软件设计 53-58 4.1 软件整体结构 53-54 4.1.1 PLX API 函数介绍 53-54 4.1.2 驱动程序介绍 54 4.2 应用程序设计 54-57 4.2.1 用户界面设计 54-55 4.2.2 应用程序实现 55-57 4.3 本章小结 57-58 第5章 模块硬件测试和性能测试分析 58-67 5.1 模块硬件测试 58-60 5.1.1 DDR2 SDRAM 内存接口测试 58-59 5.1.2 PCI Express 接口测试 59-60 5.2 模块功能测试及性能分析 60-64 5.2.1 数据采集功能测试 60-62 5.2.2 模拟通道性能测试及分析 62-64 5.3 模块信噪比和有效位数测试 64-66 5.3.1 信噪比测试 64-65 5.3.2 有效位数的测量 65-66 5.4 本章小结 66-67 结论 67-68 参考文献 68-72 致谢 72
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统 > 数据收集和处理系统
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