多种触发功能的可编程高速数据采集模块

摘要：给出一种具有多种触发功能的可编程高速数据采集模块的设计方法。模块可以动态设置触发窗长度、触发点电平、触发极性和触发模式；依据触发字与存储在FIFO中的A／D转换数据比较确定触发位置，并根据设置的预触发深度实现对A／D转换数据的存储和传输。由于触发电路采用了全数字化设计，与采用模拟电平比较器实现触发电平比较相比，无需硬件改动，可以灵活地配置触发方式，同时也降低了系统调试难度。
关键词：高速数据采集；数字电路；触发窗；先进先出存储器

引言
    在数据采集的过程中，为了不漏掉任何一个既定特征的信号，A／D转换器必须不断地采集数据。但是由于存储器容量的限制，不可能无限制地采集并存储数据。如何使模块能自动检测、采集并存储有效数据呢?触发技术的引入可以解决这一问题。触发是为了有效地观测信号，当被测信号满足触发条件时，启动一次数据采集，使用户在屏幕上能观测到满足触发条件的波形。
    触发电路在以往的设计中，多采用电平比较器，其缺点是：采用的分立元件多，不利于模块移植和速度的提升，同时触发方式多样化配置也受到硬件限制，不具备智能化特点。本模块基于高速A／D转换器和FPGA，提出了一种全数字化的多种触发功能的高速数字采集设计方案。模块接口易于移植，采集频率高达50 MHz，具有多种可编程触发功能，采用的触发窗技术进一步保证了采样存储数据的正确性和有效性。

1 高速数据采集模块结构
    高速数据采集模块由FPGA存储控制、传输电路和AD9057数据采集部分构成。其中FPGA为此次模块设计的重点。多种触发功能的高速数据采集模块结构框图如图1所示。采用Cyclone系列EP1C6Q240C8型号的FPGA控制芯片，其Bank4 I／O口与AD9057相连，有源晶振提供了50 MHz的时钟频率。

    此模块通过通信接口动态设置触发极性、触发模式、触发窗长度、触发点电平，触发极性可选上升沿触发rising_edge和下降沿触发falling_edge两种。触发模式可分为前触发pre_trigger、中间触发mid_trigger、后触发post_trigger三种模式。触发窗长度设置为0～100的整数，触发点电平可设置为0～255的整数。
    当连接通信接口的外部显示控制界面设置好触发极性、触发模式、触发窗长度、触发点电平时，开始启动采集命令，包装好的40位数据流将被发送到FPGA；FPGA接收到40位数据后，迅速分离成5个8位数据，即触发极性、触发模式、触发窗长度、触发点电平和采集启动信号，利用FIFO存储器先进先出的特性以及对AD9057的控制时序，配合触发信号存储A／D数据；当采样完成后，FIFO中的数据可以被发送到外部的显示控制界面直观地显示出来。
1．1 触发信号的产生
    传感器探测和感知的模拟信号一般都带有一定干扰，如果仅凭一个触发点来决定触发的位置则很难控制，在本模块触发位置的设计中采用了三点触发窗技术，触发窗的设置可以有效地屏蔽模拟信号的抖动，使模块正常运行。
    触发极性triggerpolar有上升沿触发rising_edge和下降沿触发falling_edge两种模式，在这两种触发极性下，触发信号上升沿表示模块开始存储A／D转换数据。模块设置了触发字1和触发字2，触发字1为触发点加上触发窗长度，如果结果小于255则触发字为两者相加结果，否则为255；触发字2为触发点减去触发窗长度，如果结果大于0则触发字为两者相减结果，否则为0。
    图2是下降沿触发信号产生图。图中模块开始采样时，A／D转换数据与触发字1和触发字2不断地比较，当A／D数据大于触发字1时，触发信号输出为低电平；此后A／D数据与触发字2比较，当A／D数据小于触发字2，触发信号输出高电平。

    compare_standardl、compare_standard2分别是触发字1和触发字2。flag为标志变量，当A／D数据大于触发字1时，flag=1；当A／D数据小于触发字2时，flag=0。具体实现的代码如下：
   
   
1．2 触发模式的选择
    触发模式分为前触发、中间触发和后触发。触发模式的选择决定了触发的预触发深度N的不同。在一定的存储深度M下，捕捉的波形在触发点P附近被最大化地存储和显示。触发点前端波形的观察选择前触发模式，即预触发深度占存储深度的比例要大。触发模式如图3所示。S代表起点，E代表结束点。触发点前后波形的观察选择中间触发模式，触发点后端波形的观察选择后触发模式。

1．3 FIFO读写数据控制
    FIFO存储器的读写是用状态机来实现的。5个状态分别为wait、wr_trigger、wr_read、wr_full、read。FIFO控制器流程如图4所示。模块开始进入wait状态等待启动信号start上升沿，如果start上升沿到来模块转到wr_trigger状态，否则将在wait状态一直等待；当模块进入wr_trigger状态时，FIFO开始写数据直到满足触发模式的预触发深度，此时的写时钟等于采样时钟；此后模块进入wr_read状态，FIFO开始一边读数据一边写数据，即一直保持FIFO中存储的数据是最新A／D转换数据，此时的读写时钟与采样时钟是同频的。直到触发信号上升沿的到来，否则FIFO存储器将一直读数据和写数据；当触发信号上升沿有效时，模块进入wr_full状态，FIFO存储器停止读数据，开始写数据，直到FIFO写满数据；当FIFO写满数据(full=1)以后，模块转到read状态，FIFO开始读数据并通过通信接口发送到显示控制界面进行直观的显示，直到FIFO为空empty=1，此时读时钟为显示时钟；FIFO读数据操作完毕，模块将一直停留在wait状态等待下一次采集启动信号的到来，如此反复执行。

1．4 高速数据采集模块电路设计
    AD9057是8位的模数转换器，可以达到60 MHz的最大采样频率。设计中，模块采用50 MHz的采样频率，AD9057带有2．5V的基准电压，可以对1 V峰峰值输入模拟信号进行A／D转换。通常采用高频、宽带运放对模拟信号进行缓冲，本设计中采用AD8041作为放大器，AD9057高速数据采集模块电路图电路图如图5所示。

2 结论
    模块可以工作在50 MHz的采样频率下，并且在模拟信号幅度偏小和有一定干扰的情况下也可以正常地工作。本次设计中采用了VC++6．0编写的显示控制界面进行模块验证。图6是数据采集模块捕捉的频率为5 MHz、300mVpp交替出现间隔为1 ms的一个脉冲波形图。

    其中，触发模式选用中间触发，触发极性为上升沿，采样频率为50 MHz。由此可见，本模块的技术方案可行，具有灵活简洁的特点，可以应用在程控仪器和自适应信号采集与处理系统中。