高速的數(shù)據(jù)采集速度是保證數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)，但往往在數(shù)據(jù)處理時(shí)并不需要以同樣的速度來(lái)進(jìn)行，否則對(duì)硬件的需求太高，成本也較高。這就需要有一個(gè)數(shù)據(jù)緩存單元，將數(shù)據(jù)有效地存儲(chǔ)，再根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

   通常構(gòu)成高速緩存的方案有三種。種是fifo(先進(jìn)先出)方式。fifo存儲(chǔ)器就像數(shù)據(jù)管道一樣,數(shù)據(jù)從管道的一頭流入，從另一頭流出，先進(jìn)入的數(shù)據(jù)先流出。fifo具有兩套數(shù)據(jù)線而無(wú)地址線，可在其一端寫操作而在另一端讀操作，數(shù)據(jù)在其中順序移動(dòng)，因而能夠達(dá)到很高的傳輸速度和效率，且由于省去了地址線而有利于pcb板布線。缺點(diǎn)是只能順序讀寫數(shù)據(jù)，不易靈活控制，而且大容量的高速fifo非常昂貴。

    第二種是雙口ram方式。雙口ram具有兩套獨(dú)立的數(shù)據(jù)、地址和控制總線，因而可從兩個(gè)端口同時(shí)讀寫而互不干擾，并可將采樣數(shù)據(jù)從一個(gè)端口寫入，而由控制器從另一個(gè)端口讀出。雙口ram也能達(dá)到很高的傳輸速度，并且具有隨機(jī)存取的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是大容量的高速雙口ram的價(jià)格很昂貴。
   第三種是高速sram切換方式。高速sram只有一套數(shù)據(jù)、地址和控制總線，可通過(guò)三態(tài)緩沖門分別接到a/d轉(zhuǎn)換器和控制器上。當(dāng)a/d采樣時(shí)，sram由三態(tài)門切換到a/d轉(zhuǎn)換器一側(cè)，以使采樣數(shù)據(jù)寫入其中。當(dāng)a/d采樣結(jié)束后，sram再由三態(tài)門切換到控制器一側(cè)進(jìn)行讀寫。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是sram可隨機(jī)存取，同時(shí)較大容量的高速sram有現(xiàn)成的產(chǎn)品可供選擇。

   從降低成本上考慮，采用第三種方式實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。結(jié)合1gs/s數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，存儲(chǔ)深度為4mb。選擇issi公司的靜態(tài)ram，由8片is61lv25616構(gòu)成4mb測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

  數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

● 數(shù)據(jù)流控制

   adc為雙通道500ms/s的轉(zhuǎn)換率，8bit的垂直分辨率，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出是每通道i、q兩個(gè)方向上差動(dòng)輸出，在差動(dòng)時(shí)鐘500mhz的驅(qū)動(dòng)下，可以實(shí)現(xiàn)1gs/s的實(shí)時(shí)采樣率，由adc輸出的4路轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)流輸出分別為250ms/s。而is61lv256系列ram的速度級(jí)別為10ns或12ns，這樣數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)fpga進(jìn)行緩存以后，才可以再次存入ram。

   is61lv25616系列ram芯片有16位數(shù)據(jù)線，18位地址寬度，同時(shí)還包括數(shù)據(jù)讀rd、寫wr及片選cs等控制信號(hào)。將8片ram并行連接到fpga上，組成數(shù)據(jù)采集的存儲(chǔ)單元。

   將從adc輸出ai[8...0]、aq[8...0]、bi[8...0]、bq[8...0]，每路信號(hào)都為lvds輸出，共32位為一組轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)data[31...0]，速率為250ms/s，要將這個(gè)速度在fpga內(nèi)部降至ram可接受的范圍。選用cycloneii系列fpga，其內(nèi)部時(shí)鐘可工作在402.5mhz，支持單端和高速差動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)i/o接口，對(duì)于250ms/s的數(shù)據(jù)流完全可以接收。利用fpga內(nèi)部的d觸發(fā)器作為緩沖，經(jīng)過(guò)4級(jí)緩沖之后分別得到dbo[127...0]，這樣數(shù)據(jù)速度降為62.5ms/s。經(jīng)過(guò)緩沖后的數(shù)據(jù)已經(jīng)在選用的ram接受速度級(jí)別內(nèi)，將得到128位的數(shù)據(jù)作為8片ram的數(shù)據(jù)線，完成了數(shù)據(jù)流的控制。

● 地址發(fā)生器設(shè)計(jì)

  每次讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，必須提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置，以讀寫信號(hào)作為時(shí)鐘計(jì)數(shù)信號(hào)，順序產(chǎn)生地址信號(hào)，其中nwe是ram的寫數(shù)據(jù)信號(hào)，noe是讀數(shù)據(jù)信號(hào)，二者都是低電平有效，選擇ab[17...0]作為ram組的地址信號(hào)。cnten是地址計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)，由讀取/寫入數(shù)據(jù)的深度決定，當(dāng)未完成讀取/寫入的數(shù)據(jù)時(shí)，cnten＝0，此時(shí)允許讀/寫操作繼續(xù)執(zhí)行；當(dāng)讀/寫操作完成時(shí)，相應(yīng)的地址信號(hào)將cnten設(shè)置為1，則停止地址計(jì)數(shù)。

● 讀寫數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)好采集數(shù)據(jù)的地址發(fā)生單元后，接下來(lái)就是配合時(shí)序進(jìn)行讀寫操作。

   對(duì)于單片ram的操作比較簡(jiǎn)單，但是要將數(shù)據(jù)順序?qū)懭?片ram中，就要求對(duì)上一片ram寫操作完成后，系統(tǒng)能夠設(shè)置下一個(gè)待操作的ram有效，128位數(shù)據(jù)線分別對(duì)應(yīng)8片ram的數(shù)據(jù)線，由于地址線和讀寫使能線公用，則需要分別設(shè)置每個(gè)ram的片選，以區(qū)別當(dāng)前操作是針對(duì)哪一個(gè)ram。片選信號(hào)可以由譯碼器產(chǎn)生。讀操作時(shí)設(shè)置相應(yīng)ram的片選有效，即可讀出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，而進(jìn)行寫操作時(shí)，則可以設(shè)置所有的ram片選有效，將采集到的數(shù)據(jù)同時(shí)并行的寫入8片ram中。根據(jù)這些描述，片選信號(hào)的設(shè)計(jì)如圖5所示。niomd為操作的狀態(tài)信號(hào)，說(shuō)明當(dāng)前的操作是讀狀態(tài)或是寫狀態(tài)，讀數(shù)據(jù)情況下設(shè)置為1，片選信號(hào)分別有效，寫數(shù)據(jù)情況下設(shè)置為0，所有ram均處于片選有效狀態(tài)下，可以同時(shí)寫入數(shù)據(jù)。這樣的設(shè)計(jì)也是為了配合系統(tǒng)的需求，一般的，讀取數(shù)據(jù)的速度相對(duì)于寫數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)還是要快一些的。

仿真驗(yàn)證

    將上述設(shè)計(jì)方案整合后，配合其他控制信號(hào)的設(shè)計(jì)，就完成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的設(shè)計(jì)。在quartusii軟件中對(duì)上述設(shè)計(jì)進(jìn)行波形仿真，可以看到設(shè)置set值及相應(yīng)的狀態(tài)控制信號(hào)，則在vdb端就可以按照cs指示的相應(yīng)的ram芯片中順序讀出預(yù)先存入的數(shù)據(jù)。按照?qǐng)D中所示的狀態(tài)寄存器設(shè)置，讀取深度設(shè)置寄存器設(shè)置為值set[4...1]＝000，即只讀每片ram的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，則地址發(fā)生器的值為8，從圖中可以看到當(dāng)?shù)刂钒l(fā)生器輸出值增加到8時(shí)，we跳變?yōu)楦唠娖?，ram的讀使能無(wú)效。由于ab[3]＝1，使得cnten=1,地址發(fā)生器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘使能無(wú)效，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，完成一輪數(shù)據(jù)的讀取操作。

    當(dāng)前數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)串db=0010，0011，1010，1110，1101，0011，1001，0111，片選信號(hào)cs低電平有效，當(dāng)cs=11011111時(shí)，即選中按順序由低位到高位計(jì)算的第6片ram，此時(shí)對(duì)應(yīng)的在vdb上讀出的數(shù)據(jù)應(yīng)該為db的第6個(gè)數(shù)據(jù)值，即為1010。
結(jié)語(yǔ)