基于PCIe总线的超高速信号采集卡的设计

2 双路高速高精度A／D转换器设计
高速A／D转换器模块是采集卡工作的最前端，它的设计优劣将决定着采集卡的性能指标。其中信号调理部分的功能就是在保证待测信号不失真的前提下，对输入的信号进行低噪声放大、滤波等处理。由于待采集的信号为高频信号，需要进行阻抗匹配和前置放大，可以选用低失真的有源放大器或射频变压器。有源放大器的优点是输入动态范围大，在一定带宽内增益可调，缺点是有源设计会引入一定噪声；射频变压器的优点是无源设计、带宽相对高，缺点是增益固定不可调，输入信号的幅度受到限制，并且给系统带来插入损耗。综合考虑系统设计指标要求，本系统选用TI公司的THS4509放大器作为信号调理器件，该运放具有非常好的宽带特性，增益设置为10 dB时，-3 dB带宽达l900 MH-z，单电源供电以及输出共模电压可调的特性使得THS4509非常适合于高性能的信号采集系统中；考虑到目前市场上难以得到单片A／D转换器可以达到800 MHz／s采样率和14 bit分辨率的设计指标，因此采用了两片ADS5474作为本采集卡的A／D转换器，该A／D转换器的最高采样率为400MHz／s，14 bit的分辨率，-3 dB带宽达l 400 MHz，LVDS电平的信号输出可以直接连接至FPGA处理器，方便了系统设计，两片ADS5474 工作于交叉采样模式，达到了等效于800 MHz／s的采样效果。
信号采集是连续的，而数据的上传是由主机软件通过DMA方式间断获取，因此需要设计大容量的存储器以缓存数据，同时为了达到不间断采集目的，设计了两块存储区采用乒乓缓存的工作方式，即一块存储区用于缓存A／D转换器高速数据时，另一块存储区用于将先前已存储的数据上传。大容量内存采用Micron公司的内存模块MT4HTF3264HY-53E，该内存模块容量256 MB，数据总线宽度64 bit，采用SODIMM封装形式，数据访问带宽最高可达4．3 GB／s，远超出本系统的需求。
当采集卡工作于最高采样率800 MHz／s、14 bit分辨率时，转换的数据率将会达到1．6 GB／s，给后续的数据传输带来非常大的压力。常用的总线如PCI，PXI等已经满足不了如此高的速率要求，本系统采用了8通道的PCIe总线来实现高速数据传输，每通道运行速率2．5 Gb／-s，采用8b／10b编解码方式工作，可以得到总数据带宽约2 GB／s，达到实时传输数据的要求。

3 基于IPCORE的PCIe控制接口设计
PCIe接口控制电路是本采集卡的关键模块，通过PCIe控制核完成主机与采集卡的数据交互。PCIe拥有多种组件类型，每一类型均采用了复杂的系统级折衷方案，以满足严格的设计目标。为了能加快产品研发进度，本设计采用Xilinx公司的Logicore IP for PCI Express来设计PCIe高性能互连设计接口，该IP核占用FPGA资源少、功耗低，包含有物理层、数据链路层、传输协议层和配置空间。如图3所示，层与层之间有明确的分工，相比PCI总线不分层的协议描述更加抽象，传输协议层与数据链路层负责将采集到的数据按批次组包，包在层与层之间传递时会附加对应的校验和帧信息。PCIe标准使用应答重传机制，在数据链路层包括相应的应答延迟和重传延迟定时器，这两个定时器收到串行解串模块与传输介质延迟的影响比较大，太小的重传延迟往往会造成不必要的重传，从而显著降低性能，因此在不同的采集环境下需要进行针对性的调整。设计中这两个定时器的值可以通过软件界面进行配置修改，通过驱动软件来动态修正两个定时器以达到采集传输性能的最优化。