基于CPCI總線的一體化數(shù)據(jù)處理中心的研究與實現(xiàn)

摘要：為了滿足工業(yè)控制系統(tǒng)多功能和數(shù)據(jù)處理能力的需求，設(shè)計了基于CPCI總線的一體化數(shù)據(jù)處理中心。系統(tǒng)以FPGA芯片為硬件控制核心，利用硬件描述語言Verilog進(jìn)行編程，采用自頂向下和模塊化的設(shè)計方法，實現(xiàn)了在同一嵌入式產(chǎn)品上集成光纖通信、A／D、D／A、CPCI總線、SDRAM存儲等功能，實現(xiàn)了系統(tǒng)的一體化、小型化。實際應(yīng)用表明本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、易于維護(hù)，滿足工業(yè)控制領(lǐng)域的需求。
關(guān)鍵詞：CPCI；FPGA；一體化；數(shù)據(jù)處理中心

近年來，隨著工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域中，對控制系統(tǒng)的功能、靈活性和數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的需求，本文從實際工程應(yīng)用出發(fā)，研究并實現(xiàn)了一種基于CPCI總線的一體化可配置數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
本設(shè)計利用可配置的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)與具有高可靠性、高密度性的CPCI總線相結(jié)合的方法，將眾多數(shù)據(jù)處理功能集成在同一個嵌入式系統(tǒng)板卡上，實現(xiàn)了系統(tǒng)的一體化、小型化。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)主要由上位機(jī)管理子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

上位機(jī)管理系統(tǒng)主要用于顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)并提供人機(jī)交互界面。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過光纖連接到距離系統(tǒng)1 km以外的位置，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括CPCI-6020單板計算機(jī)和FTC-9110數(shù)據(jù)處理單板兩部分，CPCI-6020單板計算機(jī)用于解釋上位機(jī)發(fā)送的命令并對數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行控制。FTC-9110數(shù)據(jù)處理單板是數(shù)據(jù)處理的核心部分，也是文中介紹的重點，其整體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

FTC-9110數(shù)據(jù)處理中心以FPGA為硬件處理核心，通過內(nèi)部構(gòu)建的ADC控制模塊、DAC控制模塊、FLASH模塊、SDRAM存儲模塊、光纖通信模塊、PCI總線模塊實現(xiàn)對外圍設(shè)計的A／D數(shù)據(jù)采集電路、D／A數(shù)據(jù)輸出電路、FLASH存儲電路、SDRAM數(shù)據(jù)存儲電路、光纖通信電路以及CPCI總線接口電路的控制，通過與單板計算機(jī)的靈活配合，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時處理、高速傳輸。

2 數(shù)據(jù)處理流程
系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理主要以FTC-9110為中心，利用單板計算機(jī)對FPGA內(nèi)部構(gòu)建的各個模塊的靈活控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，其數(shù)據(jù)處理流程如下：
1)利用ADC芯片前端設(shè)計的信號調(diào)理電路，將輸入的單端模擬信號轉(zhuǎn)換為差分信號送入芯片的差分輸入端。
2)ADC芯片對輸入的信號進(jìn)行采樣，并將采樣所得數(shù)字信號傳送至FFT算法模塊。
3)利用FFT算法模塊對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，分析數(shù)據(jù)的結(jié)果傳送至FIR濾波模塊作為濾波輸入信號，濾波后輸出數(shù)據(jù)傳送至光纖通信模塊。
4)光纖通信模塊通過高速并串轉(zhuǎn)換模塊對濾波輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行8B／10B編碼，將16位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為20位的串行數(shù)據(jù)，輸出速率最高可達(dá)1．5 Gbps，然后該高速串行數(shù)據(jù)進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換模塊，傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。
5)單板計算機(jī)控制PCI9656工作在DMA傳輸模式，通過PCI總線模塊和SDRAM存儲模塊將DAC輸入數(shù)據(jù)寫入SDRAM芯片。
6)讀取SDRAM芯片數(shù)據(jù)傳送至DAC控制模塊，DAC芯片對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并通過后端設(shè)計的調(diào)理電路，使信號最終以電壓形式輸出。