CN110968545B - 一种高采样率输出数字板卡及其使用方法 - Google Patents

一种高采样率输出数字板卡及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高采样率输出数字板卡及其使用方法，包括一主板，所述主板上包括：FPGA模块、DAC模块、CPCI总线接口模块、RTL8211网口模块、RJ45网络接口、MMCX接口和DAC时钟产生模块。本发明采用多个高采样率的DAC芯片实现多路的数模转换，满足各种模拟信号输出需求；同时，本发明既可以通过CPCI总线实现与上位机的数据交换，也可以通过网口实现与上位机的网络通信，在产生数字信号时，能够预留两路同步422和两路独立IO，从而使所述板卡能够满足不同的使用需求，减少了设计成本和制板周期。

Description

一种高采样率输出数字板卡及其使用方法
技术领域
本发明涉及数据通信技术领域，尤其涉及一种高采样率输出数字板卡及其使用方法。
背景技术
板卡是一种印制电路板，简称PCB板，制作时带有插芯，可以插入计算机的主电路板(主板)的插槽中，用来控制硬件的运行，比如显示器、采集卡等设备，安装驱动程序后，即可实现相应的硬件功能。
现有技术中的板卡大都选用DA转换芯片对数据进行转化，对于如正弦信号类的模拟信号，一般的DA转换芯片不能很好地满足要求，在针对特定情况制造板卡时，制作周期长，且使用单个DA转换芯片无法达到指定的采样率。
发明内容
为此，本发明提供一种高采样率输出数字板卡及其使用方法，用以克服现有技术中板卡在运行过程中采样率低的问题。
一方面，本发明提供一种高采样率输出数字板卡，包括一主板，所述主板上包括：
FPGA模块，其内含FPGA芯片以作为板卡的核心芯片；
DAC模块，其包含多个DAC转换器，各转换器均与所述FPGA模块相连，用以将数字信号转变成模拟信号；
CPCI总线接口模块，其与所述FPGA模块桥接，用以与总线连接并通过总线与上位机进行通信；
RTL8211网口模块，用以使端口物理层与多址接入信道进行数据通信；
RJ45网络接口，其与所述RTL8211网口模块相连，用以通过以太网使板卡与外部网口进行通信；
MMCX接口，其与所述DAC模块相连，用以输出所述DAC模块输出的信号；
DAC时钟产生模块，其与所述FPGA模块相连，用以将FPGA模块产生的差分时钟转化为所述DAC模块工作所需时钟。
进一步地，所述DAC模块与所述FPGA模块相连时，各所述DAC转换器分别与所述FPGA模块中对应的HR Bank管脚相连。
进一步地，所述板卡中还设有信号放大器，各所述信号放大器分别与各所述DAC转换器相连。
进一步地，所述FPGA模块与CPCI总线接口模块通过桥接芯片相连，所述桥接芯片选用PCI9054桥芯片。
进一步地，所述矩形连接器选用J30J-31型号的31芯微矩形连接器，用以提高信号传输的完整性。
进一步地，所述板卡中还设有矩形连接器，其与所述FPGA模块相连，用以输出422信号和/或IO信号。
进一步地，所述板卡中还设有至少两个LTM4616模块，用以对电源电压进行转换。
另一方面，本发明提供一种高采样率输出数字板卡的使用方法，包括：
步骤1：将CPCI总线接口插入主板卡槽，将网络电缆与RJ45网络接口相连；
步骤2：连接完成后通入电源，LTM4616模块会对电源输入的电压进行转换并将电压转化成指定数值，板卡得到指定电压的电源供给后开始运行；
步骤3：CPCI总线接口和J30J-31矩形连接器分别接收与其相连的设备输出的数字信号并将数字信号输送至FPGA模块，同时RJ45网络接口会将有线网络中的数据输送至FPGA模块；
步骤4：FPGA模块在接收到数据后会对其进行运算和处理，并在处理后将处理后信号分别输出至CPCI总线接口、J30J-31矩形连接器、RTL8211网口模块和DAC模块；
步骤5：当FPGA模块将数据输送至CPCI总线接口和J30J-31矩形连接器后，CPCI总线接口和J30J-31矩形连接器会分别将接收到的数据输出至对应的设备中；当数据输送至RTL8211网口模块后，RTL8211网口模块会通过RJ45网络接口将数据输出至以太网；当数据输出至DAC模块后，DAC模块会对数据进行数模转化并在转化后通过MMCX接口以将数据输出；
步骤6：当FPGA模块将数据输送至DAC模块后，DAC模块会对数据进行转化，并在转化后将数据分别输送至各DAC转换器中，此时各DAC转换器会对数据进行数模转换，转换后DAC转换器会将转换后的信号输送至信号放大器进行放大以实现模拟信号按比例输出。
进一步地，在所述步骤3中当外部设备将数据通过J30J-31矩形连接器输送至FPGA模块，FPGA通过从其他模块接收到的数据和该数据一同进行运算和分析，并将计算后的数据输出至J30J-31矩形连接器，并通过与J30J-31矩形连接器相连的线路输出至对应的设备中。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明采用多个高采样率的DAC芯片实现多路的数模转换，满足各种模拟信号输出需求；同时，本发明既可以通过CPCI总线实现与上位机的数据交换，也可以通过网口实现与上位机的网络通信，在产生数字信号时，能够预留两路同步422和两路独立IO，从而使所述板卡能够满足不同的使用需求，减少了设计成本和制板周期。
尤其，所述DAC模块中选用10片AD9748，与FPGA芯片HR Bank相应管脚相连，最多可实现10路数模转换，8bit数据宽度，采样率高达210MSPS。
进一步地，本发明在各DAC转换器中均设置有AD转换器以及信号放大器，在提高板卡采样率的同时，还能够使模拟信号按比例输出。
进一步地，本发明选用J30J-31型号的矩形连接器，通过使用31芯的连接其能够最大限度的提高板卡在信号传输时数据的完整性。
进一步地，本发明中还设有网口模块和网络接口，通过将网口模块与网络接口连接能够实现以太网传输，从而使板卡能够与外部网口进行通信
进一步地，本发明中还设有LTM4616模块，通过使用LTM4616模块能够将外部供给的电压转换成各模块所需电压。
附图说明
图1为本发明高采样率输出数字板卡的功能框图；
图2为本发明高采样率输出数字板卡在接收数据时的流程图；
图3为本发明高采样率输出数字板卡在输出数据时的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1所示，其为本发明所述高采样率输出数字板卡的功能框图，包括FPGA模块、DAC时钟生产模块、DAC模块、MMCX接口、RTL8211网口模块、RJ45网络接口、J30J-31矩形连接器、9054桥接芯片、CPCI总线接口和LTM4616模块。其中，DAC时钟生产模块分别与DAC模块和FPGA模块相连，用以将FPGA模块产生的差分时钟转化为所述DAC模块工作所需时钟。FPGA模块与DAC模块在另一条线路上直接连接，用以将信号输出至DAC模块。MMCX接口与DAC模块相连，用以将DAC模块转换后的信号输出。所述RTL8211网口模块分别与FPGA模块和RJ45网络接口相连，用以使板卡通过以太网实现与外部的网口通信。所述J30J-31矩形连接器与所述FPGA模块相连，用以使板卡与其他设备相连以进行数据传输。所述9054桥接芯片分别与FPGA模块和CPCI总线接口相连，用以将PCI总线信号转换local bus信号。所述CPCI总线接口设置在板卡边缘，用以通过上位机的总线进行数据通信。所述LTM4616模块与外部电源相连，用以为板卡中部件提供所需电源。
在使用所述板卡时，先将所述CPCI总线接口插入主板卡槽，并分别使用指定的连接线将RJ45网络接口、J30J-31矩形连接器和LTM4616模块连接。连接完成后通入电源，LTM4616模块会对电源输入的电压进行转换，板卡得到电源供给后，开始运行，CPCI总线接口和J30J-31矩形连接器会分别接收与其相连的设备输出的数字信号并将数字信号输送至FPGA模块，同时RJ45网络接口会将有线网络中的数据输送至FPGA模块。FPGA模块在接收到数据后会对其进行运算和处理，并在处理后将处理后信号分别输出至CPCI总线接口、J30J-31矩形连接器、RTL8211网口模块和DAC模块。当数据输送至CPCI总线接口和J30J-31矩形连接器后，会分别输出至对应的设备中，当数据输送至RTL8211网口模块后，RTL8211网口模块会通过RJ45网络接口将数据输出至以太网，当数据输出至DAC模块后，DAC模块会对数据进行数模转化并在转化后通过MMCX接口将数据输出。本领域的技术人员可以理解的是，所述板卡可用于PC，也可用于电视机或其他种类的用于数据通信的电子设备，只要满足所述板卡能够达到其指定的工作状态即可。
请继续参阅图1所示，本发明所述FPGA模块内含一FPGA芯片，本实施例选用K7系列的FPGA芯片，用以对接收到的数据进行运算和处理。当FPGA芯片接收到数据后，会对数据进行运算和处理，并将处理后的数据输出至指定模块。可以理解的是，所述FPGA芯片的型号本实施例不作具体限制，只要满足FPGA芯片能够完成对板卡中数据的运算即可。
请继续参阅图1所示，本实施例所述DAC模块中包括十个DAC转换器，各DAC转换器均与所述FPGA模块中对应的HR Bank管脚相连，各转换器内部均设有AD转换器和信号放大器，本实施例AD转换器选用AD9748，信号放大器选用AD8041，用以完成对数据的数模转换以及对转换后的信号进行放大。当FPGA将数据输送至DAC模块后，DAC模块会对数据进行转化，并在转化后将数据分别输送至各DAC转换器中，此时各转换器会对数据进行数模转换，通过10路转换，8bit数据宽度，采样率高达210MSPS，转换后DAC转换器会将转换后的信号输送至信号放大器进行放大以实现模拟信号按比例输出。可以理解的是，所述AD转换器的数量可以为10个、11个、12个或其他数量个，只要满足所述AD转换器能够将FPGA模块输出的数据进行多路数模转换即可。当然，所述AD转换器和信号放大器的信号本实施例均不作具体限制，只要满足AD转换器和信号放大器能够分别达到其指定的工作状态即可。
请继续参阅图1所示，本发明所述DAC时钟产生模块选用ADCLK950，其分别与FPGA模块和DAC模块相连，用以将FPGA产生的差分时钟转化为DAC模块工作所需时钟。
请继续参阅图1所示，本发明选用10个MMCX接口，各接口分别与对应的所述信号放大器相连，用以将信号输出板卡。当DAC模块完成数模转化后，将转化后的信号输送至MMCX接口，MMCX接口会将信号输出至对应的设备上。
请继续参阅图1所示，本发明所述RTL8211网口模块选用RTL8211EG-VB，其分别与FPGA模块和所述RJ45网络接口相连，用以通过以太网传输以使板卡与外部网口进行通信。在使用板卡时，将网络电缆与RJ45网络接口相连，此时RTL8211网口模块即可实现FPGA模块与外部网口的10M/100M/1000M以太网传输。可以理解的是，所述网口模块的型号本实施例不作具体限制，只要满足所述网口模块能够达到其指定的工作状态即可。
请继续参阅图1所示，本实施例所述J30J-31矩形连接器设置在板卡边缘并与所述FPGA模块相连，用以使其他设备与板卡进行数据交换。当外部设备将数据通过J30J-31矩形连接器输送至FPGA模块，FPGA通过从其他模块接收到的数据和该数据一同进行运算和分析，并将计算后的数据输出至J30J-31矩形连接器，并通过与J30J-31矩形连接器相连的线路输出至对应的设备中。可以理解的是所述矩形连接器的芯数可以为31芯、37芯、51芯或其他芯数，当然，所述矩形连接器的型号可以为J30J或其他型号，只要满足所述矩形连接器能够进行数据传输即可。
请继续参阅图1所示，本发明所述CPCI总线接口设置在板卡的边缘，用以与上位机进行通信，所述CPCI总线接口与所述FPGA模块通过桥接芯片连接，且桥接芯片选用9054芯片。在使用板卡时，将CPCI总线接口插入上位机对应的卡槽内，即可实现板卡与上位机的数据通信。
请继续参阅图1所示，本发明所述LTM4616模块分别与FPGA模块和DAC模块相连，用以将外部供给的+5V直流电转为各个芯片所需要的电源。当电源输出电压时，LTM4616模块会将电压转化成各芯片可以使用的数值。可以理解的是，所述LTM4616模块的型号本实施例不做限制，只要满足所述LTM4616模块能够对板卡电路起到电压转化作用即可。
请参阅图2所示，其为本发明高采样率输出数字板卡在接收数据时的流程图。
当板卡接收上位机下发的数据时，板卡会通过RJ45网络接口和CPCI总线接口接收数据，FPGA模块在接收到数据后会对其进行运算和处理。当板卡通过RJ45网络接口接收数据时，RJ45网络接口会通过RTL8211网口模块将数据输送至FPGA模块；当板卡通过CPCI总线接口接收数据时，CPCI总线接口会通过PCI9054桥片将数据输送至FPGA模块。
当板卡从其他板卡接收数据时，其他板卡会通过J30J-31向板卡输送数据，FPGA在接收到数据后对其进行运算和处理。
请参阅图3所示，其为本申请所述高采样率输出数字板卡在输出数据时的流程图。当板卡输出数据时，FPGA会通过MMCX接口将数据输出至外部设备，通过RJ45网络接口或CPCI总线接口将数据输出至上位机，通过J30J-31矩形连接器将数据输出至其他板卡。
具体而言，当板卡将数据输出至外部设备时，FPGA模块将数据输出至DAC模块，并通过DAC模块中的DAC转换器转换后将转换后数据输送至MMCX接口，通过MMCX接口输送至外部设备。
具体而言，当板卡将数据输送至上位机时，FPGA模块会通过RJ45网络接口和CPCI总线接口输出数据。当板卡通过RJ45网络接口输出数据时，FPGA模块会通过RTL8211网口模块将数据输出至上位机；当板卡块通过CPCI总线接口接收数据时，FPGA模块会通过PCI9054桥片将数据输出至上位机。
具体而言，当板卡将数据输送至其他板卡时，FPGA模块会通过J30J-31向其他板卡输送数据。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高采样率输出数字板卡，其特征在于，包括-主板，所述主板上包括：
FPGA模块，其内含FPGA芯片以作为板卡的核心芯片；
DAC模块，其包含多个DAC转换器，各转换器均与所述FPGA模块相连，用以将数字信号转变成模拟信号；
CPCI总线接口模块，其与所述FPGA模块桥接，用以与总线连接并通过总线与上位机进行通信；
RTL8211网口模块，用以使端口物理层与多址接入信道进行数据通信；
RJ45网络接口，其与所述RTL8211网口模块相连，用以通过以太网使板卡与外部网口进行通信；
MMCX接口，其与所述DAC模块相连，用以输出所述DAC模块输出的信号；
DAC时钟产生模块，其与所述FPGA模块相连，用以将FPGA模块产生的差分时钟转化为所述DAC模块工作所需时钟；
所述板卡中还设有矩形连接器，所述矩形连接器选用J30J-31型号的31芯微矩形连接器，用以提高信号传输的完整性，其与所述FPGA模块相连，用以输出422信号和/或IO信号；
所述RTL8211网口模块分别与FPGA模块和RJ45网络接口相连，用以使板卡通过以太网实现与外部的网口通信；
所述J30J-31矩形连接器与所述FPGA模块相连，用以使板卡与其他设备相连以进行数据传输；
所述板卡中还设有至少两个LTM4616模块，用以对电源电压进行转换，所述LTM4616模块与外部电源相连，用以为板卡中部件提供所需电源。
2.根据权利要求1所述的高采样率输出数字板卡，其特征在于，所述DAC模块与所述FPGA模块相连时，各所述DAC转换器分别与所述FPGA模块中对应的HR Bank管脚相连。
3.根据权利要求2所述的高采样率输出数字板卡，其特征在于，所述板卡中还设有信号放大器，各所述信号放大器分别与各所述DAC转换器相连。
4.根据权利要求1所述的高采样率输出数字板卡，其特征在于，所述FPGA模块与CPCI总线接口模块通过桥接芯片相连，所述桥接芯片选用PCI9054桥芯片。
5.一种高采样率输出数字板卡的使用方法，其特征在于，包括：
步骤1：将CPCI总线接口插入主板卡槽，将网络电缆与RJ45网络接口相连；
步骤2：连接完成后通入电源，LTM4616模块会对电源输入的电压进行转换并将电压转化成指定数值，板卡得到指定电压的电源供给后开始运行；
步骤3：CPCI总线接口和J30J-31矩形连接器分别接收与其相连的设备输出的数字信号并将数字信号输送至FPGA模块，同时RJ45网络接口会将有线网络中的数据输送至FPGA模块；
步骤4：FPGA模块在接收到数据后会对其进行运算和处理，并在处理后将处理后信号分别输出至CPCI总线接口、J30J-31矩形连接器、RTL8211网口模块和DAC模块；
步骤5：当FPGA模块将数据输送至CPCI总线接口和J30J-31矩形连接器后，CPCI总线接口和J30J-31矩形连接器会分别将接收到的数据输出至对应的设备中；当数据输送至RTL8211网口模块后，RTL8211网口模块会通过RJ45网络接口将数据输出至以太网；当数据输出至DAC模块后，DAC模块会对数据进行数模转化并在转化后通过MMCX接口将数据输出；
步骤6：当FPGA模块将数据输送至DAC模块后，DAC模块会对数据进行转化，并在转化后将数据分别输送至各DAC转换器中，此时各DAC转换器会对数据进行数模转换，转换后DAC转换器会将转换后的信号输送至信号放大器进行放大以实现模拟信号按比例输出。
6.根据权利要求5所述的高采样率输出数字板卡的使用方法，其特征在于，在所述步骤中当外部设备将数据通过J30J-31矩形连接器输送至FPGA模块，FPGA通过从其他模块接收到的数据和该数据一同进行运算和分析，并将计算后的数据输出至J30J-31矩形连接器，并通过与J30J-31矩形连接器相连的线路输出至对应的设备中。
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