基于FMC150硬件平台在高速数据采集中的应用

张锋

（中国电波传播研究所青岛分所，山东 青岛 266107）

基于FMC150硬件平台在高速数据采集中的应用

张锋

（中国电波传播研究所青岛分所，山东 青岛 266107）

针对传统的高速数据采集卡受采样率、采样位数和通道数限制的目的，采用了一款可灵活编程配置的FMC150硬件平台方法，通过利用FPGA编程控制，实现了该高速数据采集模块在探地雷达系统中的应用，使探地雷达系统的分辨精度提高了约30%，同时，证明了这款数据采集卡的灵活性、通用性、实用性。

FMC150；数据采集；FPGA；探地雷达

随着现代科技的飞速发展，无论在雷达、通信、自动化、工业自动控制、电子测量等方面对数据的采集要求越来越高、同时要求对多通道的数据进行采集和处理［1］。FMC150为高速多通道AD和DA采集模块，满足多种对采集卡的需求，它是FMC接口子卡模块，FMC连接器是一种高速多管脚的互连器件，广泛应用于板卡对接的设备中，特别适用于XILINX公司的开发板。该模块就专门针对XILINX开发板设计的标准板卡，用于模拟信号、中频信号高速数据采集，信号输出等应用。

1 概 述

表1 FMC150模块的主要性能指标Tab.1 The main performance index of the FMC150 module

FMC150模块是一款双通道ADC和双通道DAC的FMC子卡。板卡设计是基于 TI的 ADS62P49双通道 14位250MSPS的ADC和TI的DAC3283双通道16位800MSPS 的DAC，系统时钟可以由内部同步时钟的时钟源（可选锁定到外部参考）或外部提供的采样时钟，另外有一个触发输入用于采样控制，其主要性能指标见表1。FMC150模块允许通过串行通信总线灵活的控制时钟源、模拟输入增益和偏移校正。此外，该卡配备了电源和温度监测，并提供多种省电模式关掉不使用的功能，降低系统级功耗和散热，非常适合用于软件无线电（SDR）、电池或低功率源应用。

2 FMC150模块设计原理

FMC150模块主要由 ADS62P49（双通道 AD）芯片、CDCE72010（时钟树）芯片、DAC3283（双通道DA）芯片等组成［2-3］，系统框图如图1所示。

FMC150模块符合ANSI/VITA57.1 FMC标准。该模块的输入为：两路AD模拟信号（Channel A、Channel B）、外部时钟/参考时钟 （External Clock/Reference）、外部触发信号（External Trigger），模块的输出为：两路 DA模拟信号（Channel C、Channel D）。外部触发信号作为系统采样的时序控制信号，FMC150模块配置的内部时钟为491.52MHz晶振，本设计以内部时钟作为系统时钟为例，该晶振作为CDCE72010的时钟输入，通过FMC载板上的串行通信接口（SPI）对CDCE72010进行寄存器1至寄存器12的配置，产生ADS62P49采样时钟AD_CLK、DAC3283采样时钟DA_CLK以及提供给后端载板的系统时钟LVDS Clock；ADS62P49芯片经过串行通信接口和采样时钟的控制对双路模拟信号（Channel A、Channel B）的实时采集；DAC3283芯片经过串行通信接口和采样时钟的控制对双路数字信号的实时输出（Channel C、Channel D）。该FMC150模块通过串行通信总线灵活的控制采样频率、模拟输入增益和失调修正。并且模块被设计成LVDS（差分）模式下工作和输出，该FMC150需要调整电压为+2.5 V，所有其他状态和控制信号，如串行通信总线，工作在2.5 V的LVCMOS电平。

图1 FMC150模块的系统框图Fig.1 The system diagram of the FMC150 module

3 FMC150模块的具体配置应用

在探地雷达中，雷达发射电磁信号，经过接收天线接收目标的回波信号，雷达系统需要对接收的中频回波信号进行高速采集，考虑回波信号的多通道数据采集和采样率的灵活设置，故雷达系统采用FMC150硬件平台进行高速采集；本模块结合与开发板Xilinx Virtex-6 FPGA ML605组合配置应用，通过灵活的硬件描述语言编程在FPGA上实现对FMC150模块的具体配置［4-5］，其中主要包括CDCE72010初始化的配置、ADS62P49初始化的配置等。下面具体对两个初始化的配置说明。

1）CDCE72010初始化

CDCE72010器件是10路输出低抖动时钟同步器和抖动消除器，它提供系统所需的时钟；其中CDCE72010的初始化主要完成对双路ADC时钟的设置、双路DAC时钟的设置、提供Xilinx Virtex-6 FPGA ML605板卡的系统时钟等。寄存器2是设置供AD芯片的工作时钟，寄存器4是设置提供ML605板卡的系统时钟，寄存器2是设置供DA芯片的工作时钟；CDCE72010预先配置的系数，通过FPGA编程预存在ROM中。FPGA的配置程序如下：

ADS62P49是双通道的AD芯片，它的初始化主要完成对ADC时钟的采样时钟的设置、通道的设置、通道增益的设置等。其中，寄存器00是设置芯片的复位方式，寄存器20是设置高速采集（＞80 MSPS）或者低速采集（＜80 MSPS），若提高AD的采样时钟大于80MSPS，则需设置20的寄存器为00，若需要AD的采样时钟小于80 MSPS，则需设置20的寄存器为04。寄存器41是设置AD数据输出是LVDS模式或者CMOS模式；寄存器50是设置双通道控制选择和输出数据格式选择；寄存器55是设置通道增益大小；寄存器62是设置测试通道A输出模式、测试输出数据正确性；选择本例以采样率大于80 MSPS设计参数，ADS62P49预先配置的系数，通过FPGA编程预存在ROM中。FPGA的配置程序如下：

memory_initialization_vector=0080，/（寄存器00：表示采用软件复位）

2000，/（寄存器20：表示设置AD的采样时钟大于80MSPS）

3 F00，4008，4180，/（寄存器41：表示设置AD的输出为LVDS模式）

4400，5044，/（寄存器50：表示两个数据通道独立控制、输出数据的格式为二进制补码）

5100，5200，5340，55C0，/（寄存器55：表示输出通道的增益为6dB）

5700，6200，/（寄存器62：表示AD通道正常数据输出模式）

6300，6640，68C0，6A00，7500，7600。

4 试验结果

采用FMC150模块和Xilinx Virtex-6 FPGA ML605板卡硬件平台，对某探地雷达的接收数据进行采集的试验；FMC150模块在FPGA程序的控制下高速采集，雷达系统中AD芯片的采样率设置为122.88MHz，采集的雷达接收的中频回波为10.7MHz模拟信号，通过FPGA内置的Chipscope逻辑分析仪实时采集结果如图2所示。

图2 FMC150模块实时采集显示结果Fig.2 FMC150 module real-time acquisition display results

5 结束语

文中设计了基于FMC150硬件平台在高速数据采集中的应用。由于FPGA编程的灵活性，可以灵活的配置参数，与各种FPGA开发板配合使用，广泛应用于模拟信号、中频信号高速数据采集，信号输出等。另外，该硬件平台通道数多，采样率高、编程灵活、稳定性可靠、实时性强，可大大提高数据采集的能力和速度，现已应用于某探地雷达的高速采集系统［6-7］，提高了雷达的分辨能力，有利于目标的分辨。

［1］张俊杰，章凤麟，叶家骏.高速数据采集系统设计［J］.计算机工程，2009，35（1）:207-209.

［2］Data Sheet，CDCE72010.SCAS858-JUNE 2008［EB/OL］.http://www.alldatasheet.com.

［3］Data Sheet，ADS62P49.SLAS635B-APRIL 2009-REVISED JANUARY 2011［EB/OL］.http://www.alldatasheet.com.

［4］齐洪喜，陆颖.VHDL电路设计实用教程［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［5］薛小刚，葛毅敏.Xinlix ISE 9.X FPGA/CPLD设计指南［M］.北京:人民邮电出版社，2007.

［6］杨林楠，李红刚，张丽莲，等.基于FPGA的高速多路数据采集系统的设计［J］.计算机工程，2007，33（7）:246-248.

［7］林长青，孙胜利.基于FPGA的多路高速数据采集系统［J］.电测与仪表，2005（5）:52-54.

Based on FMC150 hardware platform application in high speed data acquisition

ZHANG Feng
（China Research Institute of Radio Wave Propagation，Qingdao 266107，China）

According to the high speed data acquisition card by traditional sampling rate，sampling number and channel number limit to adopt a flexible configuration of the FMC150 hardware platform，programming method，through the control of the use of FPGA programming，to achieve the application of the high speed data acquisition module in the ground penetrating radar（GPR）system，the resolution of ground penetrating radar system increased by about 30%，at the same time，proved that the data acquisition card，flexibility，generality，practicality.

FMC150；data acquiration；FPGA；round penetrating radar

TN99

A

1674－6236（2016）04-0042-03

2015-04-15 稿件编号：201504150

张 锋（1979—），男，山东济宁人，硕士研究生，工程师。研究方向：雷达系统。