基于FPGA的PXI数据采集系统设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.99MB 56 页 15积分
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摘 要
数据采集系统在数字信号处理中起着关键的作用，数采系统测试所得数据的
准确性直接影响着后续的信号分析处理。根据实际工程测试需求，开发多通道同
步、高速数据采集系统具有着重要意义。
PXI 总线是面向仪器领域的 PCI 总线扩展，
定义了 8位触发总线用于实现板卡间的时钟和触发同步。本设计目的在于开发基
于PXI 总线的振动和噪声信号数据采集系统。
本文首先对数据采集卡设计要求和技术指标做了相应分析，制定了硬件部分
和软件部分设计方案。主要任务有硬件功能电路设计、关键芯片选型、模数转换
电路、PXI 接口电路设计、高速数据传输方案、驱动程序开发等。硬件电路设计部
分，选用了 FPGA 作为本地逻辑控制器，
PLX 公司的 PCI9054 作为接口芯片。
FPGA、
PCI9054、
AD 数据采集、
SDRAM 数据缓存共同组成了 PXI 数据采集卡硬件电路。
软件部分的设计主要工作为采集卡驱动程序编写，通过比较分析各种驱动程序开
发方案，选用了 WinDriver 作为 PXI 采集卡驱动程序开发工具。数据传输功能部分，
通过中断和 PCI9054 的DMA 传输功能将数据通过 DMA 传输方式上传到计算机
中，实现数据的高速传输。
本文通过研究 PXI 总线协议，结合实际课题需求，制定了合理有效的数据采
集系统整体设计方案。完成了基于 FPGA 以及 PCI9054 的多通道高速 PXI 数据采
集系统的开发，最后通过各项测试结果表明，本设计中采集系统的技术指标基本
达到预定要求。
关键词：多通道 数据采集系统 FPGA PCI9054 PXI
ABSTRACT
Data acquisition system (DAS for short) plays an important role in digital signal
processing, the accuracy of the data, which comes from DAS, has an impact on the
subsequent signal analysis directly. Developing multichannel synchronization and
high-speed DAS has an extremely significance according to the requirement of practical
project testing. PXI bus is the extension of PCI bus in the instrument field. It defines
eight-trigger bus that used to realize the synchronization between the clock in the PCB
and trigger. The aim is to develop the vibration based on PXI bus and noise signal
processing.
At first, the thesis makes the corresponding analysis on the design requirement of
data acquisition card and technical index, the design scheme of hardware and software.
The primary mission contains hardware functional circuit design, key chip selection,
AD convention circuit, PXI interface circuit design, high-speed data transmission and
driver development, etc. Regarding the hardware circuit design, it chooses the FPGA as
the local logic controller; uses PCI9054 of PLX Company as interface chip. FPGA,
PCI9054, AD data acquisition and SDRAM data caching comprised the PXI data
acquisition card hardware circuit. As for the software one, which mainly programming
for acquisition card driver. Through comparing and analyzing various driver
development schemes so that select WinDriver as the development tool for PXI
acquisition card driver. About the data transmission function part, data uploading to the
computer through DMA transmission instead of interrupting with PCI 9054 so as to get
it with high-speed.
Through studying PXI bus agreement and combine with the need of practical
program, the thesis makes out the reasonable, effective and entire design scheme of data
acquisition system, finishes the development of multichannel and high-speed DAS on
the basis of FPGA and PCI9054. At last, various testing results show that the technical
index of this acquisition system basically gets the expected requirement.
Key words: multichannel data acquisition system FPGA PCI9054 PXI
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题研究背景及意义 .......................................................................................1
§1.2 PXI 总线概述 .................................................................................................... 1
§1.3 PXI 接口技术国内外发展状况 ........................................................................ 2
§1.4 本设计主要任务以及结构安排 .......................................................................3
第二章 总体设计方案 .....................................................................................................4
§2.1 概述 ...................................................................................................................4
§2.2 模块设计要求和技术指标 ...............................................................................4
§2.3 PXI 接口方案分析 ......................................................................................... 4
§2.4 采集卡关键芯片选择 ........................................................................................6
§2.4.1 A/D 模数转换芯片的选择 ...................................................................... 6
§2.4.2 数据缓存芯片选择 .................................................................................6
§2.4.3 FPGA 选型 ...............................................................................................6
§2.4.4 PCI 协议芯片选择 ...................................................................................7
§2.5 设计中技术关键点 ...........................................................................................7
§2.6 系统总设计体方案确定 ...................................................................................7
§2.6.1 设计方案选择原则 .................................................................................7
§2.6.2 硬件总体设计方案 .................................................................................7
§2.6.3 驱动程序设计方案 .................................................................................8
§2.7 本章小结 ...........................................................................................................9
第三章 数据采集卡硬件设计部分 ...............................................................................10
§3.1 信号调理模块 ..................................................................................................10
§3.2 A/D 转换模块设计 .......................................................................................... 11
§3.2.1 Delta-Sigma 模数转换器 ......................................................................11
§3.2.2 基于 delta-sigma 技术 A/D 转换芯片电路设计 ................................. 12
§3.3 数据缓冲模块 SDRAM 电路设计 ..................................................................13
§3.3.1 SDRAM 功能结构 .................................................................................13
§3.3.2 SDRAM 工作原理 .................................................................................15
§3.4 FPGA 模块控制电路设计 ...............................................................................16
§3.4.1 FPGA 的时钟设置 .................................................................................17
§3.4.2 FPGA 的下载与配置 .............................................................................17
§3.5 PXI 接口电路设计 .......................................................................................... 18
§3.5.1 PCI 接口芯片任务 .................................................................................18
§3.5.2 PCI9054 引脚介绍及其相关特性 .........................................................19
§3.5.3 PCI9054 与FPGA 之间的连接 ............................................................ 20
§3.5.4 PCI9054 引脚分配及功能介绍 .............................................................21
§3.5.5 PXI 触发方案设计 ................................................................................ 21
§3.6 硬件系统电源电路设计 ..................................................................................21
§3.7 PXI 采集卡 PCB 设计 .....................................................................................22
§3.8 本章小结 ..........................................................................................................23
第四章 本地控制逻辑设计 ...........................................................................................24
§4.1 本地控制器 FPGA 功能需求分析 ..................................................................24
§4.1.1 A/D 芯片控制器模块 ............................................................................ 25
§4.1.2 SDRAM 控制器模块 .............................................................................26
§4.1.3 PCI 本地总线控制器模块 .....................................................................27
§4.2 连续高速数据采集解决方案 .........................................................................28
§4.2.1 状态命令控制寄存器 ............................................................................28
§4.2.2 PCI 中断和 DMA 数据传输 ................................................................. 29
§4.2.3 PXI 高速数据连续采集原理 ................................................................ 29
§4.3 本地控制器关键问题分析 .............................................................................31
§4.3.1 PCI9054 本地总线时序控制 .................................................................31
§4.3.2 PXI 触发功能设计 ................................................................................ 33
§4.4 本章小结 ..........................................................................................................34
第五章 采集卡驱动程序设计 .......................................................................................35
§5.1 WDM 驱动程序开发模式简介 .......................................................................35
§5.2 驱动程序开发工具与方案选择 .....................................................................36
§5.3 PXI 驱动程序开发流程 .................................................................................. 37
§5.3.1 PXI 设备驱动初始化 ............................................................................ 37
§5.3.2 PCI9054 配置空间的访问 .....................................................................38
§5.3.3 中断的实现 ...........................................................................................38
§5.3.4 DMA 数据传输的实现 ......................................................................... 39
§5.4 本章小结 ..........................................................................................................40
第六章 系统调试及验证 ...............................................................................................41
§6.1 PCI9054 功能测试 ...........................................................................................41
§6.2 驱动程序调试 .................................................................................................43
§6.3 采集系统性能测试分析 ..................................................................................45
§6.3.1 数据采集系统输入动态范围测试 .......................................................45
§6.3.2 信号频率精度与幅值精度测试 ...........................................................46
§6.4 本章小结 .........................................................................................................46
第七章 结论与展望 .......................................................................................................47
§7.1 论文总结 .........................................................................................................47
§7.2 工作展望 .........................................................................................................47
附 录 ...............................................................................................................................49
参考文献 .........................................................................................................................50
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................52
致 谢 ...............................................................................................................................53
第一章 绪 论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究背景及意义
本课题来源于北京东方振动和噪声技术研究所实际产品研发项目，目的是开
发出基于 PXI 总线协议的高精度、多通道、实时、高速数据采集、存储、分析系
统。本课题设计的采集系统的主要用途为对振动和噪声信号的采集与分析处理。
数据采集系统中，数据采集卡的作用为将各种振动和噪声信号采集并传输至计算
机，然通过各种信号处理算法来分析采集得到信号从而解决实际工程应用中遇见
的问题。所以高精度、高速成为了数据采集卡的必要性能指标。
在振动工程领域中，采集的数据信号主要为各种机器、建筑物、航天航空飞
行器、船舶、汽车的实际结构振动。然后通过对采集的信号进行模态分析等方法
研究各种物体的固有振动特性。模态试验中为了提高效率常用到一点激励、多点
响应的试验方法，该方法是采取在物体某一处激励，然后通过布多个传感器测试
点同时测得数据，最后通过相关算法分析[1]。多通道采集系统的触发和时钟同步成
为了必要，这也成为开发 PXI 数据采集系统的需求原因之一。
本设计的主要工作分为数据采集卡的硬件设计方案研究，关键芯片选型。本
地控制逻辑的实现，采集卡驱动程序设计。数据采集系统的的数据分析软件为北
京东方振动和噪声技术研究所的 DASP 软件。
§1.2 PXI 总线概述
PXI（PCI eXtensions for Instrumentation，面向仪器系统的 PCI 扩展 ）是 1998
年由美国 NI 公司正式推出一种开放式工业标准。
PXI 标准由 PXI 系统联盟（PXISA）
管理，PXI 总线是在 PCI 总线以及 Compact PCI 总线的基础上加上了一些 PXI 所
特有的信号组合成的一个架构。在电气信号上，PXI 继承了 PCI 的数据传输信号，
能够达到高达 132Mbyte/s 的传输特性，在机械结构上，PXI 采用和 Compact PCI
同样的结构，具有高密度，坚固及高性能连接器的特性[2,3,4]。
PXI 的特有信号如下：
1.10MHz 参考时钟（10MHz reference clock）
在PXI 总线规范中定义了一个低歪斜（low skew）的 10MHz 参考时钟。此参
考时钟位于背板，并且分布至每一个外设槽（peripheral slot），其特色是由时钟源
（Clock source）开始至每一槽的布线长度都是等长的，因此每一外设槽所接受的
clock 都是同一相位的，这对多个仪器模块的同步来说是一个很方便的时钟来源。
摘要：

摘要数据采集系统在数字信号处理中起着关键的作用，数采系统测试所得数据的准确性直接影响着后续的信号分析处理。根据实际工程测试需求，开发多通道同步、高速数据采集系统具有着重要意义。PXI总线是面向仪器领域的PCI总线扩展，定义了8位触发总线用于实现板卡间的时钟和触发同步。本设计目的在于开发基于PXI总线的振动和噪声信号数据采集系统。本文首先对数据采集卡设计要求和技术指标做了相应分析，制定了硬件部分和软件部分设计方案。主要任务有硬件功能电路设计、关键芯片选型、模数转换电路、PXI接口电路设计、高速数据传输方案、驱动程序开发等。硬件电路设计部分，选用了FPGA作为本地逻辑控制器，PLX公司的PCI90...

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