CN103164375A - 通过pci总线与计算机进行通信的多通道数模转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过PCI总线与计算机进行通信的多通道数模转换装置，该装置包括高速数据传输模块(201)和模数转换模块(202)以及控制模块(203)，其中高速数据传输模块(201)用于通过PCI总线接收高性能计算机所发送的信号数据；数模转换模块(202)用于接收来自所述高速数据传输模块(201)的回波数字信号，然后通过数模转换电路转换为模拟信号并输出；控制模块(203)用于控制所述信号数据的寄存器读写、所述信号数据向FIFO的读写以及对数模转换模块(202)转换功能的控制。通过使用本发明的装置，由两块板卡改为一块板卡，提高了设计的集成度，降低了成本，更加适用于专门的数模转换，比如仿真系统等。

Description

通过PCI总线与计算机进行通信的多通道数模转换装置

技术领域

本发明涉及PCI总线技术和基于FPGA的开发设计领域，特别是涉及利用FPGA实现DAC芯片控制和数据传输领域。

背景技术

声纳上的数字信号处理机应用于实际情况之前，对现实的水声环境进行仿真，得到近似的噪声、混响等参数，进而在陆上进行试验是声纳系统的一个重要方面。仿真系统的硬件设备就要求数据由计算机到信号处理机的传输、由数字到模拟的转换。高精度、多通道、高速、可靠的传输和转换设备一直是仿真系统的一个难题。

现有的硬件设备由高性能计算机、PCI总线高速数据传输卡和数模转换电路板等组成。高性能计算机根据相应参数计算数据，然后将回波信号通过PCI总线发送到高速数据传输卡。高速数据传输卡通过将数据传送到数模转换电路板（注意到它们之间经过了传输线缆和接插件）。再由数模转换电路板将信号数据转换为模拟信号。图1描述了该设备的系统结构。

该方案的优点是设计思路简单，易于实现。PCI总线高速数据传输卡上和DAC转换电路板上各有一块FPGA芯片，每个芯片负责一种功能。这样，每块电路板都可以单独拿出来实现一种功能。但是也正因为如此，当这套板卡用于某一种用途的时候就暴露出其缺点，主要缺点如下：

（1）需要一块PCI数据传输板卡和一块DAC板卡，成本较高。

（2）两块板卡之间的通信需要用LVDS（低电压差分信号）进行通信，握手信号的处理上较为繁琐。

（3）需要制作专门的数模转换板卡机箱，便携性和可靠性较差。

（4）需要传输线缆和接插件。

（5）套路老旧，易于模仿。方案的实现方法简单易懂，极易被人模仿造成市场的无序竞争。

发明内容

本发明就是为了克服老旧方案的这些局限性，创新性地将PCI总线的功能和数模转换功能集成在一张板卡上，省去了传输线缆和接插件，这样既节约了成本，又满足了对产品的便携性和可控性的要求。

具体而言，本发明提出了一种通过PCI总线与计算机进行通信的多通道数模转换装置，该装置包括高速数据传输模块(201)和模数转换模块(202)以及控制模块(203)，其中

高速数据传输模块(201)用于通过PCI总线接收高性能计算机所发送的信号数据；

数模转换模块(202)用于接收来自所述高速数据传输模块(201)的回波数字信号，然后通过数模转换电路转换为模拟信号并输出；

控制模块(203)用于控制所述信号数据的寄存器读写、所述信号数据向FIFO的读写以及对数模转换模块(202)转换功能的控制。

根据本发明的另一个方面，其中所述高速数据传输模块201进一步由PCI接口模块(301)、传输控制模块(302)和SRAM存储模块(303)构成，其中

PCI接口模块(301)用于通过PCI总线实现板卡与计算机之间的通信，数据通过所述PCT接口模块由计算机传输到板卡；

传输控制模块(302)用于数据的寄存器读写、FIFO读写以及控制数据流向；

SRAM存储模块(303)用于暂存数据，保证数据完整、无误、快速、有序的存储。

根据本发明的另一个方面，其中所述数模转换模块202进一步由数模转换电路模块(401)和数模转换电路控制模块(402)构成，其中

数模转换电路模块(401)用于将数字数据转换为模拟数据，由多通道的数模转换电路构成；

数模转换电路控制模块(402)用于控制数模转换电路模块(401)中数模转换芯片引脚电平的控制，从而实现数模转换的时序控制。

根据本发明的另一个方面，其中所述控制模块203由传输控制模块(601)、数模转换电路控制模块(602)以及FIFO模块(603)构成，其中

传输控制模块(601)用于控制数据的寄存器读写和FIFO读写，当所述PCI接口模块(301)工作在主机单次循环读写直传模式下的时候，通过对所述PCI接口模块(301)的接口芯片管脚电平进行控制，实现数据流的读写控制；

数模转换电路控制模块(602)用于对数模转换电路用到的芯片管脚电平进行控制；

FIFO模块(603)用于实现数据块先入先出式的传输，由FPGA芯片上自带的FIFO和外部的SRAM存储模块(303）共同实现。

根据本发明的另一个方面，其中所述高速数据传输模块(201)接收的数据大小为2的幂次方，并且不小于128K字节。

本发明在一块板卡上实现了通过PCI总线实现数据从计算机到DAC，并通过FPGA（现场可编程逻辑器件）控制数模转换的功能，与以前的设计相比，由两块板卡改为一块板卡提高了设计的集成度，降低了成本。更加适用于专门的数模转换，比如仿真系统等。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明：

附图1所示为现有技术的数模转换系统结构示意图；

附图2所示为本发明所提出的数模转换系统结构示意图；

附图3所示为本发明所提出的高速数据传输模块结构示意图；

附图4所示为本发明所提出的数模转换模块结构示意图；

附图5所示为本发明所提出的数模转换模块功效示意图；

附图6所示为本发明所提出的控制模块结构示意图；

附图7所示为本发明提出的用FPGA实现数模转换的时序图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图2描述了本发明提出的系统结构。如图所示，改进后的技术方案将原来的两块板卡集成在一块板卡上。这块板卡由高速数据传输模块201和模数转换模块202以及控制模块203等组成。整个系统除这块板卡之外，还包括一台高性能计算机，由这台计算机根据相应参数计算数据，然后将数据通过高速数据传输模块201发送到传送到数模转换模块202，由数模转换模块202将回波信号数据转换为模拟信号。

下面对该系统各模块进行详细介绍。

（1）高速数据传输模块201

高速数据传输模块201支持PCI总线。高性能计算机将计算的信号数据通过PCI总线传输到高速数据传输模块201。高速数据传输模块201再将数字信号通过数模转换模块202转换为模拟信号。

如图3所示，高速数据传输模块201由PCI接口模块301、传输控制模块302和SRAM存储模块303构成。计算机每次将一个数据块发送到高速数据传输模块201。数据块的大小为2的幂次方，最好不要小于128Kbytes，否则会影响数据传输效率。下图描述了高速数据传输模块结构201。

其中，

PCI接口模块用于实现板卡与计算机之间的通信，数据通过这个模块由计算机传输到板卡。

传输控制模块用于数据的寄存器读写和FIFO读写，控制数据流向；

SRAM存储模块用于暂存数据，保证数据完整、无误、快速、有序地存储。

高速数据传输模块201具有如下特点：

(1)支持32位宽、总线频率为33MHz的PCI总线。

(2)支持DMA传输方式。DMA传输速率平均为50Mbytes/s。

(3)具有16Mbytes的存储器，用于缓存用数模转换的回波信号数据。

(4)支持对数模转换模块203的如下控制功能：传输数据到数模转换模块203；启动（使能）或停止（复位）数模转换模块；控制数模转换模块的DA转换速率；提供电平测试信号，用于系统延时测试。

(5)数据格式：按照通道1到通道36的DAC转换数值（16位无符号整数）依次排列。如果使用通道数少于36个通道，请将不使用的通道补0处理。但数据发送时，依然发送36个通道的数据。

（2）数模转换模块202

数模转换模块202接收来自高速数据传输模块201的回波数字信号，然后通过数模转换电路模块402转换为模拟信号，再连接到接插件输出模拟信号。图4描述了数模转换模块的结构。

数模转换电路模块用于将数字数据转换为模拟数据，由多通道的数模转换电路构成。

数模转换电路控制模块则负责控制数模转换电路模块中数模转换芯片引脚电平的控制，从而实现数模转换的时序控制。

数模转换模块202具有如下特点：

(1)支持36路模拟信号。

(2)数模转换精度为16bit，数模转换模块输出信号幅度范围为±2.5V。

(3)数模转换速率由数据传输板设置。最大为1MHz，最小为100KHz。默认转换速率为200KHz。

(4)数模转换芯片后使用4阶的巴特沃斯低通滤波器，3dB截止频率为40KHz，如图5所示。

(3)控制模块203

控制模块203用于控制数据的寄存器读写、数据向FIFO的读写以及数模转换电路模块转换功能的控制。

如图6所示，控制模块203由FPGA芯片实现。控制模块包括了上边提到的传输控制模块601和数模转换电路控制模块602以及FIFO模块603。

其中，传输控制模块601用以控制数据的寄存器读写和FIFO读写，当PCI接口模块301工作在主机单次循环读写直传模式下的时候，通过对PCI接口模块301的接口芯片管脚电平进行控制，实现数据流的读写控制。

数模转换电路控制模块602用以对数模转换电路用到的芯片管脚电平进行控制，用FPGA实现数模转换的时序，具体的时序图如图7所示。

FIFO模块603用以实现数据块先入先出式的传输。这个模块用FPGA芯片上自带的FIFO和外部的SRAM存储模块303共同实现，保证了数据有序、准确、快速地传输。

控制模块是整个系统的关键部分，这个模块确保了数据向数模转换模块202的传输。由以上描述可以看出，与原有的设计相比，这个新的设计省去了板卡间的握手信号处理，使得数据的传输更加可靠。

本发明所提出的系统工作流程描述如下。

这块板卡的硬件设备的硬件工作流程如下：

(1)将板卡安装在计算机上。

(2)开启电源。

(3)启动软件。

这块板卡硬件设备的软件工作流程如下：

1)调用系统初始化函数初始化系统（仅在软件启动时初始化一次）。

2)设置数模转换模块202的DA转换速率。如果使用过程中，不改变转换率，该函数仅需调用一次。

3)复位板卡。

4)计算机将数据传输到板卡。当板卡接收到数据后，DAC立即启动数据转换。

5)获取传输板上存储器使用记数，查询是否可以再次向数据传输板发送数据。如果可以，回到4）的步骤。如果需要中止数据转换任务或停止数模转换电路工作，回到3）的步骤。

本发明在一块板卡上实现了通过PCI总线实现数据从计算机到DAC，并通过FPGA（现场可编程逻辑器件）控制数模转换的功能，与以前的设计相比，由两块板卡改为一块板卡提高了设计的集成度，降低了成本。更加适用于专门的数模转换，比如仿真系统等。本发明与之前的设计相比，还减少了接插件和连接线缆，不仅节约了成本，还省去了用LVDS（低电压差分信号）进行两板之间通信这一步骤，不再需要握手信号，从而使FPGA上的设计更加简洁，同时也增强了系统的可靠性。另外，原来的设计需要将DAC板单独置于一台机箱内，便携性很差，本发明只需要将板卡插在计算机主板上的PCI插槽即可，便携性大大增强。通过PCI总线与计算机进行通信的多通道DAC（数模转换器）技术含量高、保密性强，不容易被模仿和套用，对于现今高密度、多链路的通信数据采集和处理比第三条中的技术实现方案具有更大的优势。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例披露如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种变动与修饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种通过PCI总线与计算机进行通信的多通道数模转换装置，该装置包括高速数据传输模块(201)和模数转换模块(202)以及控制模块(203)，其中

高速数据传输模块(201)用于通过PCI总线接收高性能计算机所发送的信号数据；

数模转换模块(202)用于接收来自所述高速数据传输模块(201)的回波数字信号，然后通过数模转换电路转换为模拟信号并输出；

控制模块(203)用于控制所述信号数据的寄存器读写、所述信号数据向FIFO的读写以及对数模转换模块(202)转换功能的控制。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述高速数据传输模块(201)进一步由PCI接口模块(301)、传输控制模块(302)和SRAM存储模块(303)构成，其中

PCI接口模块(301)用于通过PCI总线实现板卡与计算机之间的通信，数据通过所述PCT接口模块由计算机传输到板卡；

传输控制模块(302)用于数据的寄存器读写、FIFO读写以及控制数据流向；

SRAM存储模块(303)用于暂存数据，保证数据完整、无误、快速、有序的存储。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述数模转换模块(202)进一步由数模转换电路模块(401)和数模转换电路控制模块(402)构成，其中

数模转换电路模块(401)用于将数字数据转换为模拟数据，由多通道的数模转换电路构成；

数模转换电路控制模块(402)用于控制数模转换电路模块(401)中数模转换芯片引脚电平的控制，从而实现数模转换的时序控制。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述控制模块(203)由传输控制模块(601)、数模转换电路控制模块(602)以及FIFO模块(603)构成，其中

传输控制模块(601)用于控制数据的寄存器读写和FIFO读写，当所述PCI接口模块(301)工作在主机单次循环读写直传模式下的时候，通过对所述PCI接口模块(301)的接口芯片管脚电平进行控制，实现数据流的读写控制；

数模转换电路控制模块(602)用于对数模转换电路用到的芯片管脚电平进行控制；

FIFO模块(603)用于实现数据块先入先出式的传输，由FPGA芯片上自带的FIFO和外部的SRAM存储模块(303）共同实现。

5.如前任一权利要求所述的装置，其中所述高速数据传输模块(201)接收的数据大小为2的幂次方，并且不小于128K字节。

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