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數(shù)字信號(hào)采集回放系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)探析論文
在數(shù)字電路測(cè)試技術(shù)中，基于電壓測(cè)量的檢測(cè)技術(shù)是多年來研究的重點(diǎn)。該方法通過觀察正常電路和故障電路的輸出響應(yīng)來檢測(cè)故障。它主要是針對(duì)固定型故障的，改進(jìn)后的電壓測(cè)試方法也可以用于檢測(cè)延時(shí)故障。該方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試速度快，識(shí)別高低電平的精度要求不高[1]。在電壓測(cè)量技術(shù)中，還有很多基于運(yùn)算的測(cè)量方法[2]。但是，由于需要對(duì)電路做出較多的運(yùn)算分析或仿真，隨著電路信號(hào)數(shù)量不斷增多，這種方法的便捷性和易用性往往會(huì)受到限制。本文基于電壓測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種能夠進(jìn)行數(shù)字信號(hào)采集和回放的系統(tǒng)電路。本電路以FPGA為核心，以NANDFLASH芯片為存儲(chǔ)載體，可實(shí)現(xiàn)72路數(shù)字信號(hào)測(cè)試，并且每通道達(dá)到100Msps的采集（回放）速度。
1系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)包含存儲(chǔ)板、系統(tǒng)底板、USB2.0接口控制板、回放驅(qū)動(dòng)板、采集轉(zhuǎn)接板等多個(gè)組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)72路數(shù)字信號(hào)的同步采集和回放。所有板卡均插裝在系統(tǒng)底板上，通過數(shù)據(jù)及控制總線相連。系統(tǒng)中的存儲(chǔ)板有9塊，每塊可存儲(chǔ)8路數(shù)字信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)72路信號(hào)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。每塊存儲(chǔ)板上有8片8GBFLASH芯片。系統(tǒng)總存儲(chǔ)容量為576GB，按照100M采樣率，可采集或回放10分鐘以上，數(shù)據(jù)存取速度達(dá)900MB/S。在采集過程中，被測(cè)數(shù)字信號(hào)通過采集轉(zhuǎn)接板轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)板；在回放過程中，存儲(chǔ)板中的數(shù)據(jù)首先通過回放驅(qū)動(dòng)板輸出到被測(cè)數(shù)字電路。
1.1FLASH存儲(chǔ)板設(shè)計(jì)
每塊存儲(chǔ)板上集成了8片NANDFLASH芯片，分別存儲(chǔ)8路數(shù)字信號(hào)，并通過FPGA芯片實(shí)現(xiàn)接口控制和數(shù)據(jù)存取。器件選型方面，采用了K9HCG08U1M型號(hào)的NANDFLASH，該芯片支持最高40MB/S的瞬間數(shù)據(jù)存取速率，容量8GB。FPGA方面采用了ALTERA公司CYCLONE3系列芯片，型號(hào)為EP3C25Q240C8N.該芯片有149個(gè)可分配IO引腳，內(nèi)部RAM資源達(dá)608256bits，含4個(gè)鎖相環(huán)，完全滿足本設(shè)計(jì)需求[4]。存儲(chǔ)板通過VME32插頭與底板數(shù)據(jù)總線連接，插頭內(nèi)包含了采集、擦除、回放等控制線和8路數(shù)字信號(hào)線。
1.2系統(tǒng)底板設(shè)計(jì)
系統(tǒng)底板是其它板卡互連的基礎(chǔ)，還提供電源轉(zhuǎn)換、插板接口、開關(guān)控制和指示、系統(tǒng)時(shí)鐘選擇等功能。電源轉(zhuǎn)換芯片組位于底板上側(cè)，便于散熱。提供系統(tǒng)電源。中間部分是9塊FLASH存儲(chǔ)卡的VME插座位，底端是數(shù)據(jù)總線接口，用于與USB控制板和回放驅(qū)動(dòng)板等進(jìn)行連接。右側(cè)是開關(guān)控制電路和晶振電路。開關(guān)控制電路主要負(fù)責(zé)對(duì)來自USB控制板的開關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理，并通過指示燈加以顯示。晶振電路則可提供25MHz和6.25MHz兩種時(shí)鐘，并在FPGA內(nèi)部進(jìn)行4倍頻處理。在高速采集回放過程中，使用25MHz時(shí)鐘，可達(dá)到100MSPS的采樣率和同等回放速率。
1.3USB接口控制板設(shè)計(jì)
USB接口控制板主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)備與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，包括控制命令和采集回放數(shù)據(jù)的讀寫操作。電路板的接口主要有USB2.0接口，數(shù)據(jù)及控制總線接口，回放引腳設(shè)置總線接口。本設(shè)計(jì)中，采用了CYPRESS公司的USB2.0芯片CY7C68013-128AC作為USB接口芯片。該芯片最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)48MB/S。
1.4采集轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)
它的功能是將被測(cè)數(shù)字電路板轉(zhuǎn)接出來，使之保持正常工作，并對(duì)其引腳信號(hào)加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)，以便本系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行采集。采集時(shí)，將轉(zhuǎn)接口連接到待測(cè)設(shè)備的數(shù)字電路板所在位置，然后將數(shù)字電路板插在采集轉(zhuǎn)接板中間的接口上，并使用排線與本系統(tǒng)面板的采集接口相連。此時(shí)啟動(dòng)待測(cè)設(shè)備，在其進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)啟動(dòng)采集。
1.5回放驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)
由于FLASH存儲(chǔ)卡的驅(qū)動(dòng)能力較弱且沒有信號(hào)方向選擇，所以在回放時(shí)，必須經(jīng)過驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)和引腳輸入輸出的方向選擇，才能使被測(cè)數(shù)字電路板正常工作起來。本設(shè)計(jì)采用“FPGA+三態(tài)門”的方式，實(shí)現(xiàn)回放信號(hào)引腳方向選擇和驅(qū)動(dòng)。USBLocalBus通過FPGA進(jìn)行命令的接收和譯碼，并產(chǎn)生三態(tài)門控制信號(hào)。底板總線接口提供所有72路數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過三態(tài)門電路選擇后，產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給被測(cè)數(shù)字電路板。
2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)USB驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用、通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)電路的各種操作均可通過上位機(jī)軟件完成。其通信協(xié)議包括命令設(shè)置、數(shù)據(jù)幀的收發(fā)、返回狀態(tài)判斷等等。軟件通過協(xié)議控制進(jìn)行采集和回放測(cè)試、數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出操作。“觸發(fā)采集”用于設(shè)置觸發(fā)采集模式下的參數(shù)。
3系統(tǒng)測(cè)試
為了驗(yàn)證本系統(tǒng)設(shè)備的各項(xiàng)性能，針對(duì)某型72腳數(shù)字電路板進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)采集。該型電路板的72路信號(hào)除電源和地以外，均為數(shù)字信號(hào)，且最高工作頻率為3MHz。在采集過程中，觀察被測(cè)設(shè)備和電路板是否仍能正常工作。采集結(jié)果表明，被測(cè)設(shè)備工作不受影響，本系統(tǒng)工作正常，故障燈未亮，可完成10分鐘的采集過程。在采集結(jié)束后，進(jìn)行了回放測(cè)試，使用示波器對(duì)回放驅(qū)動(dòng)板的信號(hào)進(jìn)行了波形測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，回放接口能夠完整再現(xiàn)采集到的數(shù)字信號(hào)。各通道回放信號(hào)之間的誤差不超過10ns。
4結(jié)論
目前市面上已有的數(shù)字信號(hào)測(cè)量工具，受限于采集速度、存儲(chǔ)深度、可測(cè)通道數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)易用性、信號(hào)復(fù)現(xiàn)等諸多因素；另一方面，某些數(shù)字電路的維修不只是要做簡(jiǎn)單的波形測(cè)量，還需要進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)和驅(qū)動(dòng)，并觀察響應(yīng)，以確認(rèn)電路的工作是否正常。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路以FPGA和FLASH為核心，可以完成信號(hào)記錄和回放的功能，能夠?qū)?shù)字信號(hào)較多的電路板維修和故障定位發(fā)揮極大的輔助作用，也為數(shù)字信號(hào)測(cè)試技術(shù)提供了一種新的方式方法。
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