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基于嵌入式技术的并行数字信号采集系统设计与实验分析

2017年12月02日 10:10 次阅读
随着数字电子技术的发展,大型电子设备中数字电路的比例越来越大[1]。为便于故障诊断,一些电子设备(如雷达系统)预留了大量的数字信号检测口[2]。采用示波器采集此类测试接口的信号时,由于示波器采集通道数的限制,无法保留同步信息;采用逻辑分析仪或ATE设备不但价格昂贵,而且不便于携带,不适宜广泛使用。因此,设计一款便携式并行数字信号高速同步采集系统,为大型电子设备的维护提供支持是十分必要的。

此类检测口信号采集中多通路、高采样率的特性要求瞬时大量数据的高速缓存实现方法。文献[3]以硬盘为存储介质,采用DMA技术实现了接近6 MB/s的存储速率。文献[4],文献[5],基于SoPC技术采用SDRAM作为存储介质,相对硬盘存储速度有了很大的提高。但是当通道数超过SDRAM数据位数时,SoPC的处理速度就会影响数据的存储速度,适用于多通路同步采集。本文采用读写速度最高的SRAM作为存储介质,并利用虚拟多个DMA通道的技术极大地提高了数据存储速度,实现多路并行数字信号的高速同步采集。
 

1 系统整体设计


采集系统采用了嵌入式技术达到便携性的目的,由FPGA子系统和ARM子系统两部分组成,如图1所示。
基于嵌入式技术的并行数字信号采集系统设计与实验分析
FPGA子系统接收ARM子系统的指令,完成数据的采集、缓存和发送功能。数字信号缓冲电路用于数字信号的电平转换和驱动。输入数字信号可能是TTL或CMOS电平,采用缓冲电路一方面减小对原电路的影响,另一方面将电平转换为FPGA输入所需的CMOS电平。FPGA子系统以Altera公司的EP1C12Q240C6芯片为核心,EP1C12Q240C6拥有12 060个逻辑单元以及173个用户可使用IO,能充分满足开发及调试中的要求。FPGA搭配SRAM采用DMA的方式实现数据的高速缓存,选用SRAM容量为1 MB,访问时间为10 ns,利用SRAM访问速度快的特点,可达到200 MB/s的数据访问速率。同时,FPGA还实现了与ARM的通信接口,完成缓存数据的打包发送功能。

ARM子系统实现数据的存储和人机交互界面。采集到的数据可以通过ARM子系统以类似于逻辑分析仪的方式图形化地呈现给用户,方便用户管理数据采集过程。
 

2 DMA高速数据缓存


由于ARM系统通信速度的限制,要想避免数据的溢出,采集的数据需要先缓存到FPGA子系统的SRAM中。对于62路并行数据信号进行同步采集,采集频率为5 MHz时,数据量达310 Mb/s,因而选用了DMA的方式来高速地缓存采集数据。基于FPGA系统,数字信号首先在采样时刻被存放到FPGA的寄存器中,并在2个连续采样时刻之间的采样间隔内将FPGA寄存器中的数据通过多个虚拟的DMA通道存储到SRAM中。DMA高速数据缓存结构如图2所示。
基于嵌入式技术的并行数字信号采集系统设计与实验分析 采集系统选用了1片16 bit的SRAM,62路数字信号需要分为4组缓存入SRAM中,因而构建了4个DMA通道分时与SRAM连接。由于SRAM的访问时钟是FPGA系统中的最高时钟,所以SRAM的访问时钟选用了系统时钟。SRAM的访问时间为10 ns,系统时钟必须低于100 MHz,才能保证每次能将数据完整正确地写入SRAM中。本FPGA系统选用了50 MHz的系统时钟,这样采样时钟频率最高为5 MHz,一个采样周期内的数据有10个系统时钟周期的时间来处理。在FPGA系统的控制下,一个采样周期内的10个系统时钟有1个用于等待数据写入FPGA寄存器,4个用于向SRAM写入数据。数字信号并行采集的数据缓存时序如图3所示。 基于嵌入式技术的并行数字信号采集系统设计与实验分析 图3中‘0’时刻为采样时钟上升沿,此时刻FPGA系统将并行的62路数字信号缓存入62 bit寄存器中。由于传输延时时间受系统布线和FPGA内部布局的影响,系统时钟和采样时钟上升沿不一定是同步的,图中‘0’时刻到‘2’时刻之间可能有1~2个系统时钟周期,这段时间内,系统不动作等待采集信号可靠地写入寄存器,这样可以避免‘0’和‘1’时间间隔过小,采集的数据未完全写入寄存器的情况。在之后的‘2’时刻至下一周期‘0’时刻,系统完成写入SRAM的工作。其中‘2’时刻至‘3’时刻为第一写入周期,系统将寄存器中的0 bit~15 bit写入SRAM中;‘3’时刻至‘4’时刻为第二写入周期,系统将寄存器中的16 bit~31 bit写入SRAM中;‘4’时刻至‘5’时刻为第三写入周期,系统将寄存器中的32 bit~47 bit写入SRAM中;‘5’时刻至下一周期‘0’时刻为第四写入周期,系统将寄存器中的48 bit~61 bit写入SRAM中。这样,同一采样时刻的62通路的数字信号被分时地写入SRAM中,信号保持真实的同步信息。此时,系统的数据缓存速率达310 Mb/s。

上述方法中,‘5’时刻至下一周期‘0’时刻只进行了一次写入,实际上这段时间可以容纳6个写入周期,时间并没有被充分地利用。对其进一步扩展,将系统时钟周期充分地利用,可以同时采集更多通路的信号,将第六到第十个系统时钟周期也用于信号缓存,则可以同时缓存16&TImes;9=144路数字信号。这种情况下,系统的数据缓存速率可达720 Mb/s。

考虑采用SRAM的极限访问速率的情况,可以选用100 MHz的系统时钟,这时系统的数据缓存速率可达1 520 Mb/s。

选用的SRAM的数据写入极限速率为1 600 Mb/s,此种方法的数据缓存速率达SRAM数据缓存极限的95%,实现了高速的数据缓存。
 

3 缓存数据重组织


按照上述数据缓存的方法,同一通道的数据不是连续地存储在SRAM中。SRAM中的数据存储顺序如图4所示。图中第一列表示SRAM地址,offset为数据存储的初始地址偏移;第一行表示数据位,选用的SRAM中一个地址对应2字节数据,有16个数据位;剩余每个方格表示一个数据存储单元,方格里的数字表示该单元用于存储第几通道的数据。
基于嵌入式技术的并行数字信号采集系统设计与实验分析

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模拟信号指幅度的取值是连续的(幅值可由无限个数值表示)。时间上连续的模拟信号连续变化的图像(电视、传...
发表于 2012-03-24 11:43 1161次阅读
模拟信号和数字信号分析

STM32学习:ADC/DMA/USART

学习 STM32 的ADC转换,在开发板上写程序调试。 四个任务: 1.AD以中断方式(单次)采集一...
发表于 2012-03-23 10:54 2647次阅读
STM32学习:ADC/DMA/USART

关于DSP的历史与发展进程

信息化的基础是数字化。数字化的核心技术之一是数字信号处理。数字信号处理的任务在很大程度上需要由DSP...
发表于 2012-02-07 14:41 5159次阅读
关于DSP的历史与发展进程

数字信号纠错

数字信号在传输的过程中,由于干扰或通道特性变坏等原因,都有可能使得传输的数字信号出错
发表于 2011-11-30 10:52 234次阅读
数字信号纠错

基于Linux的ISA总线DMA的实现

DMA是外设与主存之间的一种数据传输机制。一般来说,外设与主存之间存在两种数据传输方法:(1)Pra...
发表于 2011-11-14 17:44 496次阅读
基于Linux的ISA总线DMA的实现

模拟信号霍尔传感器和数字信号霍尔传感器型号汇总

深圳市霍尔微电子有限公司是无工厂管理运营的企业,公司引进国外高品质芯片,委托国内知名企业封装测试,提...
发表于 2011-11-09 12:39 2623次阅读
模拟信号霍尔传感器和数字信号霍尔传感器型号汇总

STM32中采用DMA实现方波的产生和捕获

STM32系列微控制器是ST公司基于Cortex-M3内核的高集成度的微控制器。其功耗在全速72MH...
发表于 2011-11-06 11:44 1801次阅读
STM32中采用DMA实现方波的产生和捕获

事件系统和DMA实现超快响应时间和极低功耗

在多数情况下,一个外设上的信号除了要让另一个外设知道它有事要做外,两个外设间的联络却需要大量中断处理...
发表于 2011-10-08 12:06 264次阅读
事件系统和DMA实现超快响应时间和极低功耗

数字信号在不同时钟域间同步电路的设计

信号在不同时钟域之间的转换是复杂数字电路设计中不可缺少的一部分,直接锁存法和锁存反馈法可处理控制信号...
发表于 2011-08-22 12:07 2790次阅读
数字信号在不同时钟域间同步电路的设计

一种定点数字信号处理器与单片机的接口设计方案

TMS320VC5402(VC5402)增强外设由软件等待状态发生器、锁相环时钟发生器、6通道直接存...
发表于 2011-08-22 11:12 399次阅读
一种定点数字信号处理器与单片机的接口设计方案

基于FPGA的二次群数字信号分接部分功能实现

本文介绍基于FPGA实现二次群数字信号的分接部分的功能,包括帧头捕获、帧丢失告警、基群信号提取,去除...
发表于 2011-08-21 17:55 329次阅读
基于FPGA的二次群数字信号分接部分功能实现

C5402 DMA结合MCBSP在数据采集系统中...

本文设计的数据采集系统利用C5402的存储器直接存储控制DMA与多通道缓冲串行口McBSP结合来设计...
发表于 2011-08-09 11:18 628次阅读
C5402 DMA结合MCBSP在数据采集系统中...

基于数字信号处理器的谐波谱线显示设计

该设计是谐波检测仪的显示部分,电网谐波检测仪直观的显示出不同频率的谐波(幅值和频率),能够为谐波研究...
发表于 2011-07-19 15:09 390次阅读
基于数字信号处理器的谐波谱线显示设计

支持数字信号系统间隔离通信的双向光耦合器

为帮助设计人员应对挑战,Fairchild开发出业界首款全双工、双向逻辑门光耦合器FOD8012,高...
发表于 2011-05-19 09:43 426次阅读
支持数字信号系统间隔离通信的双向光耦合器

ISA总线的DMA技术

DMA是外设与主存之间的一种数据传输机制。一般来说,外设与主存之间存在两种数据传输方法:(1)Pra...
发表于 2011-05-14 10:04 1006次阅读
ISA总线的DMA技术

适应多种时序的DMA控制器设计

本文所设计的可适应于多种时序情况的DMA控制器,被应用于该图像协处理器之中后,能够很好地解决上述问题...
发表于 2011-03-26 11:39 1328次阅读
适应多种时序的DMA控制器设计

关于数字信号控制器在汽车设计中的应用

汽车设计从过去单纯的机械式系统,到如今常常包含多达100个微处理器的现代汽车,已经走过了很长的历程。...
发表于 2011-01-26 12:56 919次阅读
关于数字信号控制器在汽车设计中的应用

一种以DMA控制器为基础的SoC系统设计

  引言   DMA(Direct Memory Access,直接存储器存取)是一种快速传送数据...
发表于 2010-09-08 11:08 551次阅读
一种以DMA控制器为基础的SoC系统设计

散列DMA设计的高速串口驱动技术

散列DMA设计的高速串口驱动技术 1  概  述由于串口在电报通信、工控和数据...
发表于 2010-05-26 16:45 255次阅读
散列DMA设计的高速串口驱动技术

32位浮点数字信号处理器SHARC产品组合(AD...

32位浮点数字信号处理器SHARC产品组合(ADI) Analog Devices, Inc.,...
发表于 2010-04-10 09:59 259次阅读
32位浮点数字信号处理器SHARC产品组合(AD...