用于飞行器分离测速的数据采集处理系统

1.2.3 FPGA门阵列逻辑控制电路

由于FPGA门阵列能够很好地提高系统的集成度和可靠性，本采集卡运用了一片超大规模门阵列完成了系统的逻辑控制。采用美国XILINX公司的基于SRAM技术的FPGA芯片XCS30。XCS30是XILINX公司SPATAN系列的门阵列，具有多达3万门可用资源。丰富的内部互连资源及512个宏单元中所包括的1024触发器能够很好地满足本系统的需求。该FPGA芯片主要完成的功能包括：计算机PCI接口电路、高速数据通道、采样控制电路，其内部原理框炉膛见图4。

    本采集系统的并行通道多达6个。为了更好地利用缓冲存储器，设计中运用FPGA产生多路到一路的高速数据通道，把6个速率为1MHz的12位数据流转换为一路乒乓切换的24位数据流，时序见图5。

采集卡的PCI接口控制电路采用了专用接口电路S5933。外围电路仅仅需要与S5933通信，得益于FPGA良好的可编程性，所有响应S5933访问的ADD-ON总线逻辑被集成于FPGA内部，并可根据需要进行动态可重构配置，以完成各种不同的功能。FPGA配合S5933的时序把采集卡上的两块缓存映射为PC机的两块内存，响应主控PATH-THROGH方式以单次或猝发连续模式读取采集卡上的数据；同时还响应主机根据S5933所设置的I/O端口访问，主控软件通过这样的端口访问实现对采集卡的配置、控制和状态查询以及响应采集卡的中断请求。

1.2.4 大容量缓冲存储器的设计

在飞行器实验中，需要长时间不间断地采集分离信息。一般来说，采样时间不少于10s。可以看到，实验的数据量相当巨大，大容量的数据存储器必不可少。解决这一问题有两个途径：一是增大采集卡缓存器的容量，但大容量静态RAM的成本较高；二是在接口速度足够快的条件下利用容量较大的控制主机的内存。峰值速率高达33M×32bits的PCI总线速度远大于采样的数据率，因此可以利用主机内存作为长时存储器。采集卡上必须有能采集并同时被主机访问的缓存器，因此设计了双路乒乓切换的大容量数据缓存器。

    采集卡所选用的存储器为HM628512。这是一种容量为512K×8位的高速静态存储器，其读写周期仅为20ns，可以较好地满足系统大数据量、高速存储的要求。在电路构成上，设计了两路存储器（A路、B路），通过FPGA提供的读写信号（OE、WE、CE）构成“乒乓开关”式结构。这种结构的好处在于对一组存储器进行写操作（即处于采集工作状态）θ的同时，主机对另外一组存储器进行读操作（即采集器向主机传输数据）。这样，使得采集器采集数据与传输数据能同时进行，使系统能不间断地采集数据，从而满足长时测速要求。

6通道A/D转换后组合成24位数据输出，每路需要用3片HM628512构成512K×24bits的缓存器。两路各3片HM628512的地址信号及控制信号都由FPGA给出。同一路的3片存储器以位扩展的方式连接在一起，共用一组地址线，数据线分开。为了实现两组存储器同时进行读写操作，需要将数据输入总线和输出总线隔离。采用FPGA进行地址发生及逻辑控制，极大地减小了系统设计的难度。双路存储器（A路，B路）的构成原理框图如图6。

1.2.5 PCI接口电路

PCI总线近年来迅速推广并已成为PC机主流总线。它是一种局部总线，通过主桥路挂接到主CPU上。它是独立于处理器的同步总线，支持总线主控和猝发方式传送，数据/地址宽度为32位/64位，总线时钟频率0～33MHz，灵活配置并支持即插即用。而它的宽数据位、高位输数据率、多种运用方式为计算机外设与主机的高速信息交换带来了极大的便利。