PXI總線是NI公司在計算機外設總線PCI的基礎上實現的新一代儀器總線，已經成為業(yè)界開放式總線的標準，基于PXI總線的數字化儀模塊是現代測 試系統(tǒng)中重要的一種數據記錄與處理設備。設計一個雙通道12 bit／250 MHz采樣頻率的高速數字化儀模塊，以高性能FPGA器件為核心，實現對高速A／D的控制以及高速數據處理和存儲，解決了長時間高速記錄信號的測試難題。

1 系統(tǒng)工作原理

數字化儀模塊主要由前端信號調理通路、模數轉換電路、數據存儲單元、數據采集控制電路、PXI接口電路等部分組成，其原理框圖如圖l所示。

高速模擬信號首先經過信號調理通路進行放大、衰減等處理，將幅度調整到A／D轉換器允 許輸入的電壓范圍內，并轉化成LVDS格式的差分信號，然后送到A／D轉換器；FPGA芯片接收A／D輸出的高速數據流，經過降速、抽取濾波等處理后，存 儲到數據存儲單元SRAM中，并發(fā)出中斷信號，PXI主機響應中斷后經由FPGA將存儲在SRAM中的數據讀入主機內存，完成后續(xù)的數據處理和顯示。 PXI主機通過PXI總線發(fā)送控制命令，經FPGA譯碼后實現對數據采集和調理通路控制。該數字化儀模塊為每個通道預留了4Mb的存儲容量，當組成PXI 測試系統(tǒng)時，可以將數據寫入計算機硬盤，實現更長時間的記錄。兩個通道可以獨立工作，也可以相互關聯。采集方式可以有內觸發(fā)、外觸發(fā)、軟件觸發(fā)、通道觸發(fā) 等多種模式。

2 系統(tǒng)設計實現

2．1 模塊化的FPGA設計

本文所設計的數字化儀是基于高性能FPGA芯片實現的，FPGA承擔了絕大部分的控制和數據處理任務，是本設計的核心器件。對FPGA進行模塊 化設計，是大型系統(tǒng)設計的常用方法。合理分割功能模塊，能加快FPGA的開發(fā)，也有利于代碼的移植和重復利用。在設計時將FPGA分成高速A／D接口模 塊、數據降速模塊、調理通路控制模塊、存儲接口模塊、PXI接口控制模塊等主要功能模塊設計。FPGA內部模塊劃分和數據流向如圖2所示。

A／D接口模塊主要實現FPGA和高速A／D轉換器的互聯，以LVDS格式總線接收數據和采樣時鐘，該部分電路決定數據采集的穩(wěn)定性，需要從硬 件和軟件兩個方面保證；數據降速模塊采用抽取濾波器將信號降低到需要的采樣速率；調理通路控制模塊主要實現對A／D前端電路的控制，包括耦合方式、匹配阻 抗選擇、增益自動控制、偏置和觸發(fā)電平控制等；PXI接口部分主要實現和PXI主機的通訊譯碼；存儲控制模塊完成對外部SRAM的控制，實現數據緩存；時 鐘管理模塊負責采樣時鐘的分頻、倍頻等處理。

2．2 高速數據采集和存儲接口設計

高速數據采集系統(tǒng)的輸入輸出接口設計是尤為重要的，高速IC芯片的相互連接是決定數據采集系統(tǒng)穩(wěn)定性的關鍵因素之一，低功耗及高的信噪比是有待 解決的主要問題。通常實現高速采集系統(tǒng)中芯片間互聯有兩種接口：PECL和LVDS。正電壓射極耦合邏輯PECL（Positive Emit-ter-Coupled Logic）信號的擺幅小，適合于高速數據的串行或并行連接，PECL間的連接一般采用直流耦合，輸出設計為驅動50 Ω負載至（VCC -2V），連接電路如圖3所示。

低壓差分信號LVDS（Low Voltage Differential Signal）標準是一種小振幅差分信號技術，它使用非常低的幅度信號（100～450 mV）。通過一對平行的PCB走線或平衡電纜傳輸數據。在兩條平行的差分信號線上流經的電流方向相反，噪聲信號同時耦合到兩條線上，而接收端只關心兩信號 的差值，于是噪聲被抵消。由于兩條信號線周圍的電磁場也互相抵消，故差分信號傳輸比單線信號傳輸電磁輻射小很多，從而提高了傳輸效率并降低了功耗。 LVDS的輸入與輸出都是內部匹配的，采用直連方式即可，連接方式如圖4所示。

本設計中。A／D轉換器選用Mamix公司的MAXl215，該芯片是一款12 bit／250 Ms／s的高速A／D轉換器，它具有出色的SNR和SFDR特性，使用250 MHz差分采樣時鐘，接收差分輸入信號，輸出12位LVDS格式的差分數字信號，提供差分同步時鐘信號。為了提高測試精度，單端的輸入信號需要轉換成差分 模式后再送入A／D，增益調整及單端到差分轉換電路的局部如圖5所示。考慮阻抗匹配問題，在單端信號轉換為差分模式時，需要在2個差分線上串聯50 Ω的匹配電阻，作為LVDS信號的發(fā)送端。

在PCB的設計中，對差分線要進行特別處理。差分線在走線區(qū)間內的實際布線公差應控制在5 mil內；差分對內兩條線之間的距離應盡可能小，以使外部干擾為共模特征；要保證每個差分對內的長度相互匹配，以減少信號扭曲；采用電源層作為差分線的信 號回路，因為電源平面有最小的傳輸阻抗，可以有效減少噪聲影響。圖6所示為本設計PCB的局部。

本設計中FPGA作為LVDS信號的接收端，首先需要將A／D輸入的LVDS差分數據和同步時鐘信號轉換成單信號。此處選用了xilinx公司 的VirtexⅡ-Pro系列FPGA，該系列的FPGA嵌入了高速I／O接口，能實現超高帶寬的系統(tǒng)芯片設計，支持LVDS、LVPECL等多種差分接 口，適應性很強，為高速數據接口提供了完善的解決方案。LVDS差分信號的接收可以通過例化IBUFDS_LVDS這個模塊來實現，同時在程序中設置使用 內部的匹配電阻，實現LVDS的阻抗匹配。差分時鐘信號由全局時鐘輸入腳接入FPGA，然后通過調用xFPGA特有的數字時鐘管理模塊（DCM），將時鐘 轉換成單信號并進行分頻、移相等處理，作為后續(xù)處理的時鐘信號。

2．3 PXI接口設計

PXI是PCI在儀器領域的擴展（PCI eXtensions for Instrumentation），它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術發(fā)展成適用于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規(guī) 范，從而形成了新的虛擬儀器體系結構。PXI模塊化儀器系統(tǒng)具備高速的性能，并與PCI保持兼容性，形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。本設計中使用 PCI9054進行PXI接口硬件的設計，PCI9054是美國PLX公司生產的一款32位／33 MHz通用PCI總線控制器專用器件，它具有強大的功能和簡單的用戶接口，為PCI總線接口的開發(fā)提供了一種簡便方法。

2．4 PXI驅動開發(fā)

PXI的軟件要求包括支持Microsoft Windows NT和95（WIN32）這樣的標準操作系統(tǒng)框架，要求所有儀器模塊帶有配置信息（configuration information）和支持標準的工業(yè)開發(fā)環(huán)境（如NI的LabVIEW、LabWindows／CVI和Microsoft的VC／C++、VB和 Borland的C++等），而且符合VISA規(guī)范的設備驅動程序（WIN32 device drivers）。本設計應用KRF-Tech 公司的Windriver來編寫設備驅動程序，Windriver針對PLX和AMCC的專用接口器件編寫了API函數包，降低了開發(fā)難度。驅動程序的軟 件流程圖如圖7所示，圖8是本數字化儀模塊軟面板的界面，對數字化儀的所有控制都可以通過設置該虛擬軟件界面來完成。

3 結束語

本文給出了基于PXI總線接口的高速數字化儀模塊的設計實現方法，介紹了高速數據采集系統(tǒng)中LVDS接口、LVPECL接口電路結構及連接方 式，并在所設計的數字化儀模塊中得到應用。系統(tǒng)可以穩(wěn)定的工作在250 MHz，實現高精度、長時間的數據采集和分析。該數字化儀模塊已成功應用于多個PXI測試系統(tǒng)中，廣泛應用于工業(yè)自動化、通信、科研、軍事、航空航天、消 費電子等多個領域。