Zynq7000 FPGA的高速信號采集處理平臺的設(shè)計搭建以及后續(xù)拓展

摘要: 基于Xilinx Zynq7000系列FPGA，搭建了速度等級在100 Msps的高速信號采集處理平臺。平臺包含了高速信號采集、高速數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)字信號處理，在成本、采樣速度、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)處理、穩(wěn)定性以及可擴展性上都能滿足嵌入式高速信號采集處理的需求。詳細地介紹了平臺的設(shè)計、搭建以及后續(xù)拓展。

引言
隨著技術(shù)的發(fā)展，在檢測系統(tǒng)，特別是實時檢測系統(tǒng)中，嵌入式高速信號采集處理系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，相對PC采集處理系統(tǒng)更加輕便靈活。

在高速信號采集及處理系統(tǒng)中，需要解決高速應(yīng)用、高速緩存、大數(shù)據(jù)存儲、高速處理以及通信這幾項問題。

在嵌入式平臺上，一般采用高速A/D轉(zhuǎn)換器及DDR搭建高速采集與存儲模塊，對處理器有比較高的要求：一是速度上要滿足A/D轉(zhuǎn)換器采樣速率，在100 Msps的采樣速度下，往往只有FPGA或高檔的DSP能滿足要求；二是對于DDR的控制比較繁雜，這對于大部分處理器而言將耗去不少的資源；三是高速數(shù)據(jù)處理需要使用ARM或DSP作為計算核心，采用FPGA則要面對算法對Verilog/VHDL語言移植的問題。

因此，市面上更多的采用FPGA+ARM/DSP處理器架構(gòu)，但其在成本、通信設(shè)計和擴展性上都不盡如人意。而Xilinx公司推出的Zynq7000系列FPGA集成了兩個CortexA9 MPCore 處理器，打破了傳統(tǒng)的FPGA+ARM/DSP核架構(gòu)，提供了單CPU、多處理核的新型解決方案。

1平臺設(shè)計

1.1Xilinx Zynq7000系列FPGA
Xilinx Zynq7000系列FPGA，繼承了兩個1 GHz 的ARM CortexA9內(nèi)核，打破了傳統(tǒng)的FPGA+ARM/DSP的架構(gòu)，使用單片F(xiàn)PGA就能很好地完成工作。FPGA和ARM通過高達100 Gbps的內(nèi)部高速總線通信，比FPGA+ARM/DSP外部通信的架構(gòu)更加迅速而且更加可靠。

Zynq7000系列FPGA帶有DDR控制器硬核，支持1 GB多種數(shù)據(jù)位的地址寬度，在ARM（PS）端有64位的數(shù)據(jù)通道，最高支持1 066 MT/s的速度,其在速度、穩(wěn)定性和泛用性上都非常優(yōu)秀，特別適用于做系統(tǒng)的高速存儲。

1.2MicroZed評估板
MicroZed評估板是Xilinx公司基于Zynq7000系列FPGA的開發(fā)評估板，其基本特征如下。
① 采用Xilinx Zynq7010CLG400 FPGA其存儲容量如下：256M×32位（1 GB）DDR3，128M QSPI Flash和4 GB MicroSD卡。
② 接口配置如下，具有：Xilinx JTAG編程器，可同時對邏輯部分（PL）和ARM部分（PS）進行編成與仿真，10/100/1000M以太網(wǎng)接口，USB2.0接口，microSD 卡讀寫器和USB2.0UART全速串口驅(qū)動。

可以說MicroZed評估版包含了高速數(shù)據(jù)采樣處理系統(tǒng)中的采集控制器、高速數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)處理器，后面將使用MicroZed評估版對平臺進行搭建。

1.3平臺整體構(gòu)架
在MicroZed平臺上構(gòu)建高速信號采樣處理平臺，其處理平臺整體架構(gòu)如圖1所示。

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圖1 高速信號采樣的處理平臺整體架構(gòu)

高速數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換器采樣，經(jīng)過FPGA送到DDR實現(xiàn)高速緩存，ARM從DDR獲取數(shù)據(jù)、進行處理，并對外部接口進行控制與通信。

2平臺搭建

2.1高速采樣
高速采樣部分選用Analog Devices公司的A/D芯片AD9214系列，其基本特征如下：
◆ 10位65/80/105 Msps三種速度等級;
◆ 信噪比為57 dB @39 MHz模擬輸入；
◆ 300 MHz模擬帶寬；
◆ 3.3 V單電源供電，模擬輸入最大為2Vpp；
◆ 數(shù)字輸入與時鐘輸入TTL/CMOS兼容；
◆ 功耗小于285 mW@105 Msps。

AD9214速度與精度能廣泛地滿足高速信號的采樣要求，其TTL/CMOS兼容的電平模式與MicroZed評估板能無縫結(jié)合，控制簡單。市面上同等級的A/D芯片往往采用BGA或者帶背部金屬盤（PAD）的封裝，但AD9214采用的是常用的雙側(cè)引腳扁平封裝(SOP)封裝，這將為中小規(guī)模的研發(fā)節(jié)省巨大的焊接成本。

圖2 為AD9214驅(qū)動原理圖，信號采樣有兩種方式可選：一是采用ADT11射頻隔離器進行隔離驅(qū)動，二是采用AD8138單端轉(zhuǎn)差分運放對A/D芯片進行驅(qū)動，時鐘線和數(shù)據(jù)線可與MicroZed直接相連。由于信號頻率相對較高，在布線時需主要考慮信號完整性，數(shù)據(jù)線和時鐘線盡量走等長。

2.2高速存儲
MicroZed評估板上使用兩片Micron公司的DDR3內(nèi)存MT41K256M16HA -125:E，形成了256M×32位寬的存儲結(jié)構(gòu)。

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圖2 AD9214驅(qū)動原理圖