基于PXIe总线的多通道数据并行采集系统设计

针对传统数据采集卡在通道量、并行数据处理能力和系统实时响应等方面存在的一些局限性和

不足等问题,以 Xilinx公司的 XC７A１００TFPGA 芯片为核心处理器,设计了一种基于 PXIe总

线的多通道数据并行采集系统,该系统包括数据采集电路、PXIe接口信号模块、FIFO 存储模块和

电源转换电路等.经测试,该系统实现了２００KS/s采样率和多通道并行采集数据等功能,能够通

过 PXIe总线将数据实时上传到上位机显示.该系统具有较高的实用价值,对于实现低成本

PXIe采集卡的国产化具有重要意义.

数据采集技术是信息技术领域的一项关键技术,涉及数据的捕获、存储、处理及传输等

多个方面.为了实现数据的快速稳定传输,采用高速数据传输协议变得越来越重要,PXIe总

线技术恰好符合这一需求.PXIe总线技术融合了PXI总线的模块构建特性和 PCIExpress

总线的高速通信能力,并增加了定时与触发总线功能,能够有效应对现代测试与测量的

要求.

我国目前在 PXIe产品自主研发方面尚处起步阶段.国内的数据采集功能模块在采样

率、分辨率、精度等方面与国外研制的模块都存在较大差距.例如,俞希学等[１]提出了一种结

合LabVIEW 和 PXIe的数据采集系统,该系统虽然解决了一些虚拟仪器和大数据的相关传

输问题,但该系统成本高、系统复杂和对实时性要求高;周杨罗等[２]利用 KintexＧ７芯片为核

心,设计了一种新型的数据采集系统,该系统有５GS/s采样率,分辨率达到１０位,尽管该系

统抗干扰能力比较强、可拓展性好,但在高速传输的实时响应方面还有待提高;邵静怡等[３]基

于PXIe总线对真空热试验做了高速同步数据采集,该方法虽然测试信号形式多样、数据精

度高,但存在测试环境苛刻、系统复杂和维护困难等缺陷.

针对日益增长的数据采集量和迫切提升数据采集系统效率的问题,本文研发了一种基

于PXIe总线、具备多通道数据并行采集和快速处理数据功能的系统,该系统广泛应用于工

业自动化生产中的质量检测环节,通过多通道并行采集数据,能够快速准确地获取产品的各

项参数;在环境监测领域,该系统能够同时采集多种环境参数,如温度、湿度、空气质量等,为

环境保护和灾害预警提供及时、全面的数据支持;在医疗设备研发中,该系统能够对复杂的

生理信号进行高精度采集和处理,为疾病诊断和治疗方案的制定提供关键依据.由此可见,

研发该系统对促进国内数据采集系统的发展以及数据采集卡的国产化具有积极的推动

作用.

１ 采集系统整体设计方案

本设计数据采集系统主要有两部分:数据采集子板和通用母板,母板和子板之间通过板

对板连接器连接.通用母板包括FPGA 核心电路、电源转换电路、FIFO 存储模块以及PXIe

接口模块等.数据采集系统的整体过程为:信号发生器向采集子板提供外部模拟信号,采集

子板则负责采集外部输入的模拟信号,这些外部信号经过 ADC采集模块转变为数字信号,

随后这些数字信号通过板对板连接器传输到通用母板上的 FPGA 处理系统进行数据处理,

最后数据经过PXIe总线接口传送到 QT上位机进行显示.采集系统框图如图１所示.

２ 系统软件设计

本文系统软件设计主要包括 PXIe接口逻辑设计、AXI４总线逻辑设计和数据存储逻辑

设计３个部分.PXIe接口逻辑设计负责系统与PXIe总线的通信,包括对PXIe协议的解析、

数据的接收与发送,以及与外部设备的数据传输;AXI４总线逻辑设计是系统内部数据传输

的核心部分,它连接了系统内部的不同模块,包括处理器、存储器和外设等;数据存储逻辑设

计主要负责对接收到的数据进行管理和存储,包括存储控制器的实现、数据的读写操作,以

及存储资源的分配等.

２．１ PXIe接口逻辑设计

PXIe的传输方式分为PIO 传输和 XDMA 传输两种,PIO 传输方式适用于数据量小的

场合,而 XDMA 传 输 适 用 于 高 速 传 输.本 文 需 要 实 时 传 输 系 统 采 集 的 数 据,因 此 选 择

XDMA 传输方式.本文采用 BlockDesign 的设计方法来构建 XDMA 子系统,FPGA 中有

大量的通用IP 核,随着IP核的不断开发升级,使用IP核进行程序开发非常便捷,只需要后

期对IP 核进行升级就可以实现对代码的更新[１１].本设计采用 AXI４总线和 XDMA 核共同

实现 PCIe数据链路开发,这种相对于使用 PCIeIP 核搭建数据链路的方法更加便捷[１２].

XDMA 结构如图６所示.

３．４ Matlab数据分析与验证

利用上位机中的保存数据功能,将采集到的数据保存到文件中,得到如图１３所示的４个

通道的采集电压数据.

４ 结论

本文实现了一种基于 PXIe总线的多通道并行数据采集系统,系统包括硬件采集电路、

FPGA 逻辑编程以及 QT 上位机程序,其中硬件电路包括数据采集电路、PXIe接口信号模

块、FIFO 存储模块和电源转换电路等.整个系统描述了硬件电路与软件开发测试的过程,

经过测试,满足设计要求,能够实现多通道数据并行采集与传输,具备较高的应用价值以及

良好的可扩展性.本系统的先进性在于采用了高性能的 FPGA 芯片,能够实现多通道实时

并行采集,此外还采用了高带宽、低延迟的PXIe接口数据传输总线,与传统的PCI或其他总

线系统相比,PXIe总线具备更高的传输速率和更好的扩展性.在后续的研究当中,还需进一

步探究系统硬件结构的优化.提高数据采集的精确度与速率,并对上位机软件进行功能扩

展,实现更全面的数据处理及分析功能.