Zynq7000 FPGA的高速信号采集处理平台的设计搭建以及后续拓展

摘要: 基于Xilinx Zynq7000系列FPGA，搭建了速度等级在100 Msps的高速信号采集处理平台。平台包含了高速信号采集、高速数据存储以及数字信号处理，在成本、采样速度、数据量、数据处理、稳定性以及可扩展性上都能满足嵌入式高速信号采集处理的需求。详细地介绍了平台的设计、搭建以及后续拓展。

引言
随着技术的发展，在检测系统，特别是实时检测系统中，嵌入式高速信号采集处理系统的应用越来越广泛，相对PC采集处理系统更加轻便灵活。

在高速信号采集及处理系统中，需要解决高速应用、高速缓存、大数据存储、高速处理以及通信这几项问题。

在嵌入式平台上，一般采用高速A/D转换器及DDR搭建高速采集与存储模块，对处理器有比较高的要求：一是速度上要满足A/D转换器采样速率，在100 Msps的采样速度下，往往只有FPGA或高档的DSP能满足要求；二是对于DDR的控制比较繁杂，这对于大部分处理器而言将耗去不少的资源；三是高速数据处理需要使用ARM或DSP作为计算核心，采用FPGA则要面对算法对Verilog/VHDL语言移植的问题。

因此，市面上更多的采用FPGA+ARM/DSP处理器架构，但其在成本、通信设计和扩展性上都不尽如人意。而Xilinx公司推出的Zynq7000系列FPGA集成了两个CortexA9 MPCore 处理器，打破了传统的FPGA+ARM/DSP核架构，提供了单CPU、多处理核的新型解决方案。

1.1Xilinx Zynq7000系列FPGA
Xilinx Zynq7000系列FPGA，继承了两个1 GHz 的ARM CortexA9内核，打破了传统的FPGA+ARM/DSP的架构，使用单片FPGA就能很好地完成工作。FPGA和ARM通过高达100 Gbps的内部高速总线通信，比FPGA+ARM/DSP外部通信的架构更加迅速而且更加可靠。

Zynq7000系列FPGA带有DDR控制器硬核，支持1 GB多种数据位的地址宽度，在ARM（PS）端有64位的数据通道，最高支持1 066 MT/s的速度,其在速度、稳定性和泛用性上都非常优秀，特别适用于做系统的高速存储。

1.2MicroZed评估板
MicroZed评估板是Xilinx公司基于Zynq7000系列FPGA的开发评估板，其基本特征如下。
① 采用Xilinx Zynq7010CLG400 FPGA其存储容量如下：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编程器，可同时对逻辑部分（PL）和ARM部分（PS）进行编成与仿真，10/100/1000M以太网接口，USB2.0接口，microSD 卡读写器和USB2.0UART全速串口驱动。

可以说MicroZed评估版包含了高速数据采样处理系统中的采集控制器、高速数据存储以及数据处理器，后面将使用MicroZed评估版对平台进行搭建。

1.3平台整体构架
在MicroZed平台上构建高速信号采样处理平台，其处理平台整体架构如图1所示。

图1 高速信号采样的处理平台整体架构

高速数据通过A/D转换器采样，经过FPGA送到DDR实现高速缓存，ARM从DDR获取数据、进行处理，并对外部接口进行控制与通信。

2.1高速采样
高速采样部分选用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三种速度等级;
◆ 信噪比为57 dB @39 MHz模拟输入；
◆ 300 MHz模拟带宽；
◆ 3.3 V单电源供电，模拟输入最大为2Vpp；
◆ 数字输入与时钟输入TTL/CMOS兼容；
◆ 功耗小于285 mW@105 Msps。

AD9214速度与精度能广泛地满足高速信号的采样要求，其TTL/CMOS兼容的电平模式与MicroZed评估板能无缝结合，控制简单。市面上同等级的A/D芯片往往采用BGA或者带背部金属盘（PAD）的封装，但AD9214采用的是常用的双侧引脚扁平封装(SOP)封装，这将为中小规模的研发节省巨大的焊接成本。

图2 为AD9214驱动原理图，信号采样有两种方式可选：一是采用ADT11射频隔离器进行隔离驱动，二是采用AD8138单端转差分运放对A/D芯片进行驱动，时钟线和数据线可与MicroZed直接相连。由于信号频率相对较高，在布线时需主要考虑信号完整性，数据线和时钟线尽量走等长。

2.2高速存储
MicroZed评估板上使用两片Micron公司的DDR3内存MT41K256M16HA -125:E，形成了256M×32位宽的存储结构。

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图2 AD9214驱动原理图