24通道数据采集模块设计及FPGA实现技术分析

在声纳系统中，需要对从外界输入的声信号数字化后才能进行处理和分析。其中数据采集模块负责模拟信号的采集及传输，它在系统中起着至关重要的作用，而数字化的精度对后期数据处理的精度有着重要影响。本文采用24位∑-△A／D数据转换器构建24通道高精度数据采集模块，满足声纳系统对数据采集模块的精度要求及采集通道的数量要求。

1 数据采集模块的硬件结构

1.1 数据采集模块的结构框图

图1给出本文中数据采集模块的硬件结构框图，它由24路∑-△A／D数据转换器、双向数据缓冲器、FPGA，TigerSharc DSP，FLASH，SDRAM、时钟电路、复位电路及电源电路组成，其中∑-△A／D数据转换器负责对模拟信号的采集转换，FPGA负责整个模块的数据采集控制及数据缓冲，TigerSharc DSP负责整个模块的协调及转换后数据的预处理。下面对∑-△A／D数据转换器及FPGA进行介绍。

1.2 AD7762简介

本文采用的∑-△A／D数据转换器是Analog公司的24位高精度数据转换器AD7762，图2是它的原理框图。它具有如下特性：全差分调制器输入、用于信号缓冲的片上差分放大器、可编程超采样率、带缺省或用户可编程系数的低通FIR滤波器及用于多器件之间的同步输入引脚。在实际电路的PCB设计中，由于AD7762是对噪声敏感的模拟器件，所以在具体PCB设计时需要做到以下几个方面：A／D模拟电源单独供电、模拟地与数字地单点接地、差分输入线等长且阻抗等于100 Ω、采用精确的参考电压源。

1.3 采集控制逻辑原理及其FPGA实现

FPGA主要实现整个模块的数据采集控制、数据缓冲及PCI总线控制器等功能。本文中FPGA采用Altera公司的CycloneⅡ系列EP2C20芯片，其中PCI总线控制器采用PCI IP核进行设计，简化PCI控制器的开发难度。图3是FPGA内部模块的组成框图。下面对其中PCI IP核及其局部接口控制、数据采集模块及数据缓冲FIFO的设计做介绍。

1.3.1 PCI IP核及其局部接口控制

本文采用Altera公司的PCI IP核进行PCI总线协议的硬件实现，图4是PCI IP核的内部结构框图。在具体设计中，使用MegaWizard例化PCI IP核，同时需要相应的局部接口控制逻辑实现DSP与PCI IP核的连接。

1.3.2 数据采集模块

数据采集模块完成A／D初始化控制及A／D数据读控制，其中A／D初始化控制完成对A／D内部控制寄存器的写操作，而A／D数据读控制完成对A／D数据的正常读取。具体控制逻辑根据AD7762的时序图设计，图5是用QuartusⅡ中的SignalTap获取的数据采集模块的时序波形。

1.3.3 数据缓冲FIFO

为了解决前端数据采集与后端数据传输在速率上的不匹配问题，在FPGA内部设置一块数据缓冲FIFO，大小为4 k×32 b，A／D转换后的数据直接存储到FIFO中，而DSP对FIFO中数据的读取通过中断方式完成。数据缓冲FIFO通过MegaWizard例化，只需要少量的读写控制逻辑就可以使FIFO正常工作，而且FIFO的大小可以在FPGA提供的RAM位数范围内灵活设置。

2 数据采集模块的程序设计

在模块上电后FPGA从EPROM中加载配置数据，完成初始化后切换到用户状态，TigerSharc DSP通过主机进行程序加载，程序随之开始运行，在A／D完成初始化及同步后，自动将采集到的数据写入FPGA内部FIFO，DSP等待FIFO半满中断信号的产生，当DSP检测到中断发生后，进入相应的中断服务程序，将FIFO的数据读入到DSP的片上存储器，DSP通过LINK口将数据传送到后续的信号处理模块，另外也可以将数据直接存储到数据采集模块上的SDRAM上，由DSP进行一些预处理后再将数据传送到后续的信号处理模块。

3 结 语

本文设计的24通道数据采集模块采用FPGA实现数据采集控制、数据缓冲及PCI总线控制器等功能，简化了电路，提高模块的可靠性和稳定性，并有利于模块的功能升级；同时采用∑-△A／D数据转换器，满足了声纳系统对数据采集精度方面的要求；另外Tiger-Sharc DSP为数据的预处理也提供了相应的处理能力。因此本文中的数据采集模块具有较好的工程价值和广泛的应用前景。