基于FPGA的DMA方式高速数据采集系统设计

摘 要： 提出了一种基于FPGA的DMA方式高速数据采集系统设计方案。该方案由底层控制器提供精确采样时序，保证ADC器件的采样吞吐；采用支持PCI协议的DMA方式的数据采集机制，优化数据采集存储及向上位机交互方式，以确保采集数据的高实时性。该方案具有良好的移植性，可应用于采样速率高、数据采集量大、数据实时性要求高的数据采集系统。
关键词： FPGA；DMA；高速；实时；数据采集系统

工业自动化设备的快速发展，对控制精度的要求越来越高，对数据采集的可靠性和实时性的要求也不断提高。提高数据采集系统性能的方法有：(1)采用高性能的ADC器件，配合低噪声、低静态偏移的前端驱动电路，以达到极高的采样吞吐和采样分辨率。目前高端的ADC器件分辨率可达24 bit，采样率已达40 GS/s[1]。(2)设计数据存储为FIFO，以提高数据采样实时性和数据存储深度。(3)采用高速数据通信技术，完成由底层数据采集单元到上位计算机的数据传输，利用上位机软件平台进行数据的分析处理和多样化的输出显示[2]。数据采集系统的性能瓶颈在于高速采样数据实时存储，以及上下位机间的数据传输能力。
针对ADC器件，一般采用微控制器以指令方式控制其执行时序，但微控制器的速度有限，而且一般需要3～4条指令完成一次数据采样工作，制约了ADC的采样吞吐[3]。如目前高性能的浮点型DSP TMS320C6713B的外部总线时钟也仅为100 MHz[4]，难以直接控制超过50 MS/s ADC器件的数据采样或存储。此外，微控制器对外访问为标准时序，并不具备针对精密复杂采样时序ADC器件的能力。而FPGA具有较高的运行主频，用于控制底层器件的执行时序，具备良好的接口能力，能最大限度地保障ADC的采样率[5]。
为保证数据采样的实时性，应尽可能减少数据实时采集、预处理、存储和传输过程中的时间开销，需设计高性能的数据链路，一方面实现高速采样数据的实时存储，另一方面实现底层数据采集单元与上位机之间的数据交互。DMA(Direct Memory Access)方式由专用的DMA控制器完成多系统单元之间的快速数据交互，包括微处理器内核、存储区、外部接口等，不占用大量的处理器时间，而且数据传输速率不受处理器执行速度限制，能有效减轻处理器的负担，提高数据传输的效率，从而提高系统性能[6]。
本文提出了一种基于FPGA的DMA方式高速实时数据采集系统设计方案：基于FPGA实现高速ADC器件采样时序控制与实时存储；采用带DMA控制器的PCI接口，将数据实时传输到上位机；数据采集、存储与传输呈流水线方式进行。
1 数据采集系统总体结构
DMA方式数据采集是指数据采集过程由底层数据采集单元完成，而数据采集结果不经过微处理器而被直接写入系统内存。底层数据采集单元依照上位机设定而高效运行，对微处理器的依赖程度低，能有效节省上位机软件开销，且数据采集实时性高。
数据采集系统的总体架构如图1所示，其中PCI核、DMA控制器与A/D控制器均在FPGA内部实现。为实现多路并行采样，可选用多片A/D器件并行处理的方式，在FPGA的高速状态机控制下，完成模拟信号经过多片A/D器件流水转换，并将数据采样结果储存到由Block RAM构建的高速缓冲RAM阵列中，采样时序由FPGA生成，保证了多路并行采样的高同步性。

FPGA采用Altera公司的Cyclone IV系列 EP4CGX150，内部带有6.3 MB嵌入式 Block RAM，支持最高频率167 MHz的存储区访问，易于设计接口友好的存储区[7]。在FPGA内部设计了数据FIFO用于实现总线速率匹配，PCI总线速率为32 bit、33 MHz，而数据采样流水速率为16 bit、20 MHz。为提高总线利用率，需设计数据缓冲来实现不同速率数据传输之间的速度匹配，而数据缓冲的深度取决于采样数据实时性要求。
采用以上结构具有如下优点：(1)底层A/D控制器提供精密采样时序，保证了ADC器件的采样吞吐，最大化地保证数据采样的实时性；(2)采用带DMA控制器的PCI接口与上位机进行数据交互，减少了上位机软件负荷； (3)基于单片FPGA芯片设计，结构简单而优化，可靠性高，可降低成本。
2 数据采集系统的实现
2.1 PCI IP核
PCI总线是独立于处理器的32 bit或64 bit局部总线，在32 bit/33 MHz时，可达到132 MB/s的带宽；在64 bit/66 MHz 时，可达到528 MB/s的带宽[1]。通常PCI总线接口通过专用的PCI桥芯片或带PCI控制器DSP器件(如TMS320C6205等)实现。
Altera公司推出的 PCI Compiler 软件包可以参数化地生成应用于PCI总线的IP核，基于该IP核可生成符合32 bit/33 MHz PCI 2.2规范的主从控制器，包含了PCI总线的全部功能，能实现总线协议的转换，并将复杂的、时序要求高的PCI总线操作，转换成易于使用本地总线（Local 总线）的接口逻辑[6]。
PCI IP核的结构如图2所示，包括：(1)配置寄存器：用于保存PCI设备的基本信息；(2)PCI地址数据缓存：用于缓存PCI总线上的地址信号；(3)主模式接口控制模块：负责在主模式（Master）下对PCI总线的操作；(4)从模式接口控制模块：负责在从模式（Slave）下PCI总线的操作；(5)奇偶校验器：当数据校验出错时，生成一个错误信息输出到配置寄存器；(6)本地主模式控制模块：负责主模式下的本地接口控制逻辑；(7)本地从模式控制模块：负责从模式下本地接口控制逻辑；(8)本地逻辑接口模块：负责控制本地端接口的地址、数据、控制、字节使能等[6]。

2.2 DMA控制器
针对高带宽、低延时和大量数据存储与传输需求，设计了基于PCI IP核的DMA控制器。该DMA控制器是系统中的核心单元，实现高速采样数据向上位机的DMA方式实时传输。DMA控制器结构如图3所示，内部寄存器堆定义了DMA控制器的行为，而上位机可通过PCI总线设置相应的寄存器。