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，完成后續的數據處理和顯示。PXI主機通過PXI總線發送控制命令，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、外觸發、軟件觸發、通道觸發等多種模式。
2 系統設計實現
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，是大型系統設計的常用方法。合理分割功能模塊，能加快FPGA的開發，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穩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轉換器選用美信公司的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規范定義的PCI總線技術發展成適用于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范，從而形成了新的虛擬儀器體系結構。PXI模塊化儀器系統具備高速的性能，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總線接口的開發提供了一種簡便方法。
2．4 PXI驅動開發
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)和支持標準的工業開發環境(如NI的LabVIEW、LabWindows／CVI和Microsoft的VC／C++、VB和Borland的C++等)，而且符合VISA規范的設備驅動程序(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。系統可以穩定的工作在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測試系統中，廣泛應用于工業自動化、通信、科研、軍事、航空航天、消費電子等多個領域。