ad采集卡结构图 - 基于FPGA开发板与多路AD采集卡设计并实现了数据采集平台

本次设计采用的AD采集卡是具有8通道模数转换器(ADC)的FPGA夹层卡，采用ADS62P49芯片，具有14 bit分辨率，最大采样速率达250 MS/s。ADC时钟设计由AD9516芯片提供。AD9516参考时钟为10 MHz，可选板上10 MHz的VCXO，也可选择从板外提供时钟。板卡采用高引脚数（HPC）连接器，输入信号可以是单端信号，也可以是差分信号对。该板卡结构框图如图5。

 

3 PCIE DMA通信链路的实现

DMA控制器是利用PCIE总线进行高效率数据传输的重要手段。本设计中的DMA控制器负责在驱动程序的控制下，将ADC FIFO中的数据搬移到PC内存中。

本文中的DMA控制器的代码基于Xilinx公司提供的xapp1052 DMA demo进行了修改，主要由RX Engine、TX Engine和EP_MEM构成，如图6所示。由于本文只涉及数据采集接收，所以只针对TX Engine模块与EP_MEM模块加以说明。

 

3.1 TX_ENGINE的设计

TX_ENGINE模块负责按照PCIE协议缓存打包数据，并控制PCIE接口发送TLP给PC，从而实现对PC内存的读写和对PC请求的回应。

3.2 EP_MEM的设计

EP_MEM模块是整个FPGA的控制中心，DMA的控制和数据采集以及回放的控制都在该模块内实现。数据采集时，将adc_run_en置位，ADC即开始工作，并将采集到的数据放入TX FIFO中。主控Process若检测到驱动程序请求数据，并且TX FIFO中数据大于16 KB时，即启动一次Mwr DMA操作，将16 KB搬移到驱动程序的缓冲区中。搬移完毕后，向驱动程序缓冲区的首地址写入一个非零的数据，以通知驱动操作完成。数据由FIFO单次写入内存的流程如图7所示。

 

4 连续存储数据的实现

当需要采集的数据量小于1 GB时，可以先将采集到的数据整体保存在内存中，再一次性写入文件。由于内存大小的限制，不能一次性开辟足够大的存储空间，但可以采用多次开辟内存的操作。即当一个空间存满之后，随即将所得到的数据写到硬盘中的目标文件中；然后再次开辟一段空间，向新的内存空间中继续写入数据，再将数据转移到硬盘当中。这一方法将一次大规模存储操作变成多次小规模写入操作，实现了不限制容量的存储过程。另一方面，为了减少每次数据由内存写入硬盘的时间，将每次开辟的内存空间大小定位16 KB，即当内存每次从FIFO中读取16 KB数据时，就立刻将其转送到硬盘中的目标文件，此时每个开辟内存的间断时间是可以忽略不计的。该方法实现的流程如图8所示。

 

5 信号采集测试

5.1 单通道信号采集测试

用正弦波信号源作为AD输入，设置采样率为62.5 MHz、量化位数为16 bit、使用单通道ADC采集频率为1 MHz的正弦信号，再将数据经PCIE总线存储至硬盘中。使用MATLAB作出数据图像，得到的结果如图9所示。

 

由图中可以看出，信号在时域是连续不失真的，且没有明显的杂波干扰。

再使用单通道卫星导航信号作为数据源进行测试。信号源是由卫星导航模拟器产生的GPSL1频点的中频信号，中频为42.966 MHz，AD采样率配置为62.5 MHz，存储数据文件大小为20 GB，得到频谱如图10所示。从图中看出，中频频点位置与预设值一致，并且频谱图像符合GPSL1信号BPSK调制规律。

 

5.2 系统整体测试结果

将整套测试设备置于室外环境中进行实测信号验证，测试位置为北京航空航天大学新主楼大平台，测试频点为GPSL1信号，得到8个通道的经纬高均值和标准差统计结果如表2所示。由表2看出，该采集平台采集存储的数据在经度、纬度两个维度解出的定位误差均在10 m以内，高度误差在20 m范围左右，满足了GPS定位要求。

 

6 结论

为满足卫星导航抗多径算法中对于同一时刻多通道原始数据的需求，本文设计并实现了一种以FPGA为处理核心、PCIE串行总线为高速通信介质、固态硬盘为存储设备的高速多路数据采集与存储平台。经过对该系统的全面测试，结果表明系统可以同时准确采集并存储多通道卫星导航实际数据。由于PCIE协议的通用性，该平台可适用于任何带有PCIEx8及以上接口的PC系统中。在未来的设计中也可以扩展为多块板卡同时工作，使得该平台可以适用于更多通道的数据采集与存储中，具备广阔的应用前景。

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