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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。

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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