【摘　要】　詳細介紹了基于計算機PCI總線大容量雷達數據采集系統的研制和實現方法。該系統提供了兩路20MHz最高采樣頻率、12位采樣精度的數據采集通道。
　　關鍵詞：PCI總線，數據采集，VHDL，CPLD

1　引　言
　　數據采集技術是信號處理一個非常重要的環節，廣泛應用于雷達、通信、遙測遙感等領域。在研制基于新型連續波噪聲雷達體制的新型連續波雷達時，為了研究更加有效靈活的雷達信號處理算法，利用計算機這個通用的計算和控制平臺，先將雷達信號采集到計算機上，然后在計算機上進行雷達信號處理算法的研究。課題要求對雷達I和Q兩個通道的信號進行采集，采樣精度為12位，最高的采樣頻率為20兆。傳統的基于ISA、EISA和VL總線的數據采集，受到總線帶寬、控制方式和實現難易程度的制約，不能滿足課題要求。而PCI總線以其峰值傳輸速率高達每秒132兆字節、支持突發傳輸等突出的性能，成為我們雷達數據采集首選的計算機IO接口。本文介紹了采用PLX9054作為PCI總線接口芯片的大容量雷達數據采集系統的開發，系統包括數據采集卡和配套軟件。
2　數據采集卡系統結構的介紹
　　數據采集卡的系統結構如圖1所示。雷達輸出的I和Q兩通道視頻信號通過數據采集卡的信號調理模塊，經隔離限幅放大后，送到模數轉換模塊，在這里，兩路模擬信號分別被轉換成12位的數字信號。兩路12位的數字信號經鎖存后，被送到FIFO模塊緩存起來，這些緩存的數據將通過PCI總線接口模塊以DMA方式存入計算機內存。當數據采集完成后，這些內存中的數據將存入硬盤，生成雷達數據文件。每個通道的雷達信號只用了16位中的12位，還有4位未用，我們利用這4位來傳輸雷達隨機二相碼碼字等一些數字狀態信息，這些信息將從鎖存模塊輸入，隨雷達信號同步采集到計算機中。
　　數據采集卡的控制是由控制模塊來完成的。內部時鐘模塊提供內觸發信號，它和外觸發信號一起接到控制模塊，由控制模塊根據用戶要求來選擇使用不同的觸發信號。EEPROM內存儲有PCI總線接口芯片PLX9054的配置信息。

3　數據采集卡主要功能模塊的實現
3．1　接口模塊
　　接口模塊的功能是由PLX9054來實現的。PLX9054是PLX公司的一種功能強、使用靈活、并符合PCIV2．2規范的32位33MHz PCI總線接口控制器，它可以作為PCI總線的主控設備去控制總線，也可以作為目標設備去響應總線。PLX9054提供了PCI總線、EEPROM、LOCAL總線三個接口。LOCAL總線有三種工作模式：M模式、C模式和J模式，在實際的數據采集時，將LOCAL總線設置為C模式。選用Fairchild Semiconductor公司的串行EEPROM－NM93CS56L作為PLX9054的配置芯片，該芯片通過EEPROM接口和PLX9054相連。PLX9054的長配置方式要求68個字節的信息，主要包括：設備識別號、供應商代碼號、Local總線三個空間的大小以及三個空間的基址等，可以利用編程器事先將要配置的信息寫入配置芯片中。在計算機啟動時，系統將根據配置信息分配我們申請的系統資源。PLX9054作為一種“橋”芯片，在PCI總線和LOCAL總線之間有三種直接的數據傳輸模式：
　　（1）PCIInitiator數據傳輸模式：LOCAL總線主設備通過PLX9054訪問PCI總線存儲空間和I／O空間。
　　（2）PCITarget數據傳輸模式：PCI總線主設備通過PLX9054訪問LOCAL總線存儲空間和I／O空間。
　　（3）DMA數據傳輸模式：PLX9054作為兩總線的主設備，從PCI總線存儲空間讀數據到LOCAL總線存儲空間或者從LOCAL總線存儲空間讀數據到PCI總線存儲空間。
　　在實際的數據采集中，我們僅用到PCITarget和DMA兩種數據傳輸模式，PCITarget用于對控制模塊中的寄存器進行讀寫，用于采集方式的設定，DMA用于雷達數據的采集。
3．2　信號調理模塊和模數轉換模塊
　　采用AD843構成的信號調理模塊，對輸入的雷達信號進行隔離限幅放大。經過調理后的雷達信號送到高速模數轉換芯片AD9042AD的模擬輸入端進行模數轉換，模數轉換時鐘由控制模塊產生。AD9042AD的模擬電源由DC－DC饋電，DC－DC輸出電壓的在線穩定度為1．25％，滿足AD9042AD模擬電壓穩定度5％的要求。AD9042AD是一種高速、高性能、低功耗的12位高速模數轉換芯片；它采用兩級轉換模式，并以與CMOS兼容的模式輸出二進制補碼，＋5V供電，內部提供采樣／保持電路以及參考電壓；它的轉換速率高達41MSPS。
3．3　FIFO模塊
　　利用DMA方式進行數據傳輸時，接口芯片PLX9054內部用于數據緩沖的FIFO只有32 DWord大小，遠不能滿足高速連續大容量雷達數據采集的要求。所以，采用在LOCAL總線上外加FIFO的方法來增加用于數據緩沖FIFO的容量，我們采用的FIFO芯片IDT7206L12為16K×9位，所以每路要用兩片IDT7206L12來構成16K×18位（只用了16位），兩路共要用四片IDT7206 L12。
3．4　控制模塊
　　Xilinx公司的CPLD器件XC95144XL采用了最先進的FastFlash技術，有144個宏單元，3200個門電路，并且具有在系統可編程（ISP）和信號延遲可預測特性，使得它很適合構成較復雜控制器件。在數據采集卡的開發中，采用XC95144XL作為控制模塊。控制模塊主要協調各個模塊的工作，完成數據采集功能。控制模塊除了實現數據采集的控制邏輯外，還在其中實現了分頻、觸發源選擇、命令等一些控制和狀態寄存器，通過對上述寄存器的讀或寫，進行數據采集工作方式設定。
　　由于PLX9054的LOCAL總線工作在C模式，所以XC95144XL經編程后的工作時序要滿足C模式的要求。我們采用VHDL邏輯輸入方式，利用Xilinx公司的配套軟件Foundation Series 2．1對XC95144XL芯片進行編程。由于控制邏輯比較復雜，在編寫控制模塊的VHDL程序時，采用了分層設計的設計方法。
4　配套軟件的實現
　　雷達數據的采集由數據采集卡在控制模塊的控制下自動進行，這就為數據存儲提供了有利條件，使主機在對PCI總線控制器和控制模塊中的控制寄存器進行必要的初始化后，只進行數據存儲工作，提高了數據實時采集與實時存儲的速度。在數據采集軟件的實現中，采用了DMA工作方式。具體工作過程為：當系統啟動后，首先對采集卡進行檢測，如采集卡存在則申請并分配系統資源，如內存、中斷和DMA資源等，接著，對數據采集卡進行工作方式的設置，并且，啟動DMA進行數據傳輸。在該程序中，以中斷方式進行工作，即DMA先將采集的數據傳輸至主機內存中，當傳輸達到預定量時，采集結束，調用中斷處理程序，將內存中的數據存儲到硬盤中，生成雷達數據文件。數據采集軟件流程如圖2所示。

5　利用雙緩沖技術實現大容量數據采集
　　在DOS操作系統下，如果不用擴展內存管理軟件，可以分配的系統內存要小于640KB。在Windows操作系統下，可以分配的系統內存雖然要比在DOS操作系統下分配的大，但要分配幾十兆甚至幾百兆的連續的內存空間是很困難的，所以采用雙緩沖技術來實現大容量雷達數據的采集。
　　在計算機中申請一段連續的內存作為DMA操作的數據緩沖區，其在邏輯上是一個環行緩沖區，它被分成相等的兩個部分。另外，根據要采集數據的多少，申請若干個采集緩沖區，其容量為環行緩沖區容量的一半，所申請采集緩沖區的總容量要大于或等于要采集數據的容量。當數據采集啟動后，數據先寫入環行緩沖區的第一部分（如圖3a所示）。當數據寫滿環行緩沖區的第一部分后開始寫環行緩沖區的第二部分時，我們將環行緩沖區的第一部分中的數據移到第一個采集緩沖區，這樣就可以騰空環行緩沖區第一部分的空間給以后的DMA數據傳輸（如圖3b所示）。當環行緩沖區的第二部分寫滿，采集數據將重新往騰空的環行緩沖區第一部分寫，這時我們可以將環行緩沖區的第二部分的數據移到第二個采集緩沖區（如圖3c所示），這樣就可以騰空環行緩沖區第二個部分的空間給以后的DMA數據傳輸。當環行緩沖區的第一部分寫滿后，采集數據將重新往騰空的環行緩沖區第一部分寫，同時將寫滿的環行緩沖區的第一部分中的數據移到第三個采集緩沖區（如圖3d所示）。以后的采集過程重復前面的工作，如此循環直到數據采集傳輸結束。當數據采集完成后，將內存中所有采集緩沖區的數據按照采集順序存入硬盤。
6　結束語
　　本設計利用了PCI總線突出的數據傳輸性能，加上采用雙緩沖技術，有效地解決了高速大容量數據采集的問題，成功地實現了一百多兆字節雷達數據連續高速采集。PCI總線控制芯片的出現則大大縮短了PCI總線硬件設備的開發周期，同時也使得硬件設備的可靠性和穩定性都有了較大的提高。

1　劉暉等譯．PCI系統結構（第四版）．北京：電子工業出版社，2000
2　張長隆等．PCI總線接口技術及其在雷達數據采集通道中的應用．微處理機，2000（1）