華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 占林松，夏應(yīng)清，袁 泉引言

    在瞬態(tài)信號(hào)測(cè)量和圖像處理等一些高速、高精度的測(cè)量中，往往都需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)在通用的高速數(shù)據(jù)采集卡(一般多是pci卡或isa卡)存在有安裝麻煩、價(jià)格昂貴、受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量／地址／中斷資源的限制、可擴(kuò)展性差，而且在一些電磁干擾性強(qiáng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法專門對(duì)其進(jìn)行電磁屏蔽，因而會(huì)導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真等缺點(diǎn)。為此，本文給出了采用philips公司的一款lpc2142芯片(基于arm7內(nèi)核，內(nèi)置了寬范圍的usb2.0 device全速串行通信接口)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)方案，從而有效解決了傳統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集卡的上述缺陷。

    1 基于arm的數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    該系統(tǒng)主要由雙通道模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ad9238、arm微控制器lpc2142及fpga器件ep1c3t100組成，圖1所示是其結(jié)構(gòu)框圖。ad9238具有a、b兩個(gè)通道，前端的差分放大器把模擬信號(hào)通過(guò)放大送入ad9238，由ad9238把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成12的數(shù)字信號(hào)同時(shí)送入fpga中的fifo緩存器進(jìn)行緩存。然后由labview軟件制作的界面便可向lpc2142發(fā)送控制指令，lpc2142讀取fifo緩存器中的數(shù)據(jù)后可通過(guò)usb端口發(fā)送給主機(jī)。而主機(jī)也可通過(guò)界面菜單選擇采樣頻率、采樣的起始點(diǎn)、模擬信號(hào)調(diào)理及讀取精度測(cè)頻數(shù)據(jù)等。

    2 基于arm的數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì)

    2.1 ad9238模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片

    ad9238是美國(guó)模擬器件公司(adi)推出的快速12位雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ad9238有3種型號(hào)，采樣率最高分別可達(dá)20 ms／s、40 ms／s和65ms／s。ad9238可提供與單通道a／d轉(zhuǎn)換器同樣優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能，但是比使用2個(gè)單通道a／d轉(zhuǎn)換器具有更好的抗串?dāng)_性能；ad9238采用單3 v供電(2.7～3.6 v)；rsn=70 dbc；rsfd=85 dbc；enob為11.3 b；差分輸入時(shí)，具有500 mhz的3 db帶寬；并有片上參考電壓和1～2 vpp的模擬輸入范圍。

    ad9238的兩個(gè)通道分別采用一個(gè)ad8138做為運(yùn)放驅(qū)動(dòng)芯片。i／q兩路中頻模擬信號(hào)分別經(jīng)過(guò)2個(gè)ad8138后變?yōu)椴罘中盘?hào)送給a／d轉(zhuǎn)換器(第2，3，14，15管腳)。

    高速adc對(duì)時(shí)鐘的占空比很敏感。一般來(lái)說(shuō)需要有50％(±5％)的占空比。ad9238可給每個(gè)通道單獨(dú)提供時(shí)鐘(管腳clk_a和clk_b)，當(dāng)2個(gè)通道的采樣時(shí)鐘同頻同相時(shí)，系統(tǒng)會(huì)有比較好的性能，當(dāng)2個(gè)通道小同步時(shí)，性能會(huì)有所下降。

    本數(shù)據(jù)采集卡采用40 mhz的ad9238芯片，單雙通道選擇和轉(zhuǎn)換頻率采用軟件控制。

    2.2 cyclone系列fpga器件

    由于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特殊要求，本設(shè)計(jì)在眾多fpga器件中選擇了altera-p.htm" target="_blank" title="altera貨源和pdf資料">altera公司生產(chǎn)的cyclone系列器件。cyclone系列的高性能和高密度是基于它先進(jìn)的stratix的工藝構(gòu)架，可為高速應(yīng)用提供非常高的性價(jià)比，此外，cyclone系列器件內(nèi)部ram存儲(chǔ)器還可以生成fifo緩存器以便為高速采樣提供緩存空間。

    altera-p.htm" target="_blank" title="altera貨源和pdf資料">altera公司的quartus ii軟件是一款易于使用的綜合開(kāi)發(fā)工具，它集成了altera公司fpga／cpld開(kāi)發(fā)流程中所涉及的所有工具和第三方軟件接口，其友好界面為設(shè)計(jì)提供了便利條件。

    在這里，fpga器件主要用于完成數(shù)據(jù)緩存、等精度測(cè)頻、采樣頻率分頻及觸發(fā)控制等工作。

    2.3 fpga在觸發(fā)控制中的應(yīng)用

    由于此數(shù)據(jù)采集卡是高速緩存式的，且緩存空間有限，所以不能采用連續(xù)式采集方式，而是采用觸發(fā)式采集方式。為了提高數(shù)據(jù)采集卡的適用能力，使系統(tǒng)不僅可以采集周期信號(hào)，而且要能采集觸發(fā)信號(hào)，還要能手動(dòng)觸發(fā)采集，筆者增加了觸發(fā)點(diǎn)捕捉電路。該電路主要由ad8561電壓比較器、fpga芯片組成，由于ad8561芯片的轉(zhuǎn)換速度很高，故能滿足判斷速度足夠高的要