PXI儀用模塊的實(shí)現(xiàn)與針對(duì)EMC應(yīng)采取的措施

介紹了PXI總線儀用模塊的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，描述了低成本FPGA器件開發(fā)模塊的各種功能。

重點(diǎn)描述了PXI儀用模塊必須具有的PCI/PXI總線接口、精密時(shí)基和觸發(fā)控制器的實(shí)現(xiàn)，最后探討了PXI儀用模塊針對(duì)EMC應(yīng)采取的措施。實(shí)際應(yīng)用表明所設(shè)計(jì)的PXI儀用模塊完全符合PXI硬件規(guī)范，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

PXI規(guī)范定義了一種功能強(qiáng)大的儀器平臺(tái)，用于測(cè)量和自動(dòng)化領(lǐng)域。PXI是基于CPCI平臺(tái)、并附加儀器規(guī)范（如EMI/RFI、機(jī)械接口、冷卻、觸發(fā)、設(shè)備同步、軟件接口等）所構(gòu)成的儀用平臺(tái)。測(cè)試系統(tǒng)的同步和控制是眾多功能測(cè)試應(yīng)用的先決條件，它們依賴于事件檢測(cè)、激勵(lì)/響應(yīng)或相位相關(guān)，而PXI提供了滿足這種要求所需的電氣擴(kuò)展信號(hào)，包括用于儀器同步的系統(tǒng)參考鐘PXI_CLK10、PXI TRIG總線、時(shí)間非常精密的PXI_STAR觸發(fā)總線以及用于相鄰單板通信的局部總線。PXI儀用系統(tǒng)較GPIB、VXI等儀器系統(tǒng)具有較好的性價(jià)比，因而越來越多地被從事自動(dòng)測(cè)試測(cè)量的工程技術(shù)人員選用或開發(fā)PXI儀器。如何設(shè)計(jì)符合PXI規(guī)范特別是儀用要求的PXI模塊就成了關(guān)鍵。本文在PXI規(guī)范及PXI硬件規(guī)范的基礎(chǔ)上，借助多通道高速數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用，揭示PXI儀用模塊的設(shè)計(jì)需要的關(guān)鍵技術(shù)。

1、 PXI總線數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)

PXI總線四通道高速數(shù)據(jù)采集模塊是高速、高精度的自動(dòng)測(cè)試模塊。整個(gè)采集模塊從電路上可分為模擬信號(hào)調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)控制器、PCI總線接口等幾個(gè)部分。系統(tǒng)控制器包括模擬信號(hào)的控制與設(shè)置、時(shí)基源控制、觸發(fā)源設(shè)置、觸發(fā)模式設(shè)置、采樣控制、數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

PXI高速數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。信號(hào)調(diào)理（Conditioning）及A/D轉(zhuǎn)換部分決定了模擬信號(hào)采集的性能，時(shí)基控制電路為模塊和其他PXI模塊提供采樣和同步基準(zhǔn)鐘，觸發(fā)控制器用于接收或發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，數(shù)據(jù)緩沖和SDRAM控制器用于數(shù)據(jù)在板緩存，局部總線控制器用于主機(jī)與各控制器進(jìn)行通信。各控制器均采用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)。

其中，ADC選用AD9235-65，F(xiàn)PGA1、FPGA2分別選用ALTERA公司的EP1C6Q248和EP1C6Q144，在板數(shù)據(jù)緩存選用Microchip公司的MT48LC8M16A2。

采集模塊有四個(gè)模擬通道，每個(gè)模擬通道都有獨(dú)立的信號(hào)調(diào)理電路、ADC和在板數(shù)據(jù)緩存。在系統(tǒng)控制器FPGA1的控制下，當(dāng)滿足預(yù)設(shè)的觸發(fā)條件時(shí)，將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入SDRAM，然后計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)讀入進(jìn)行分析和保存。

2 、PCI/PXI接口的實(shí)現(xiàn)

PCI/PXI接口需要設(shè)計(jì)PCI控制器、Back-end接口，并且需要滿足CPCI規(guī)范的電氣要求。這些電氣要求包括電源解耦、信號(hào)分支（stub）終結(jié)、信號(hào)分支長(zhǎng)度約束、熱插拔、3.3V/5V信號(hào)環(huán)境等。多通道高速數(shù)據(jù)采集模塊采用Verilog HDL在EP1C6Q144中實(shí)現(xiàn)32位Slave PCI控制器、Back-end接口，通過它來實(shí)現(xiàn)儀器模塊與計(jì)算機(jī)之間的通信。

通常為滿足電信等應(yīng)用，當(dāng)CPCI單板出現(xiàn)故障時(shí)，要求在整個(gè)系統(tǒng)不停機(jī)的情況下允許帶電拔出故障板并插入備份板進(jìn)行維護(hù)。一般情況下PXI儀器不需要熱插拔，3U尺寸的PXI卡外形又很小，布局布線不便。本設(shè)計(jì)沒有采用熱插拔。

PXI模塊的PCI信號(hào)應(yīng)能兼容PCI 3.3V/5V信號(hào)環(huán)境。如果PXI底板的碼鍵是鎘黃色則是3.3V信號(hào)環(huán)境，亮藍(lán)色則是5V信號(hào)環(huán)境，沒有碼鍵則為3.3V/5V通用信號(hào)環(huán)境。本設(shè)計(jì)采用IDT的電平轉(zhuǎn)換芯片QS3861，以兼容PCI 3.3V和PCI 5V信號(hào)環(huán)境。同時(shí)，芯片導(dǎo)通時(shí)的典型阻抗為10Ω，滿足信號(hào)stub終結(jié)電阻的要求。

3 、PXI儀器同步機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

被測(cè)對(duì)象（DUT）可能有數(shù)個(gè)緩變信號(hào)、混合信號(hào)，或眾多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的信號(hào)。數(shù)個(gè)緩變信號(hào)的測(cè)試只需簡(jiǎn)單測(cè)試設(shè)備就可以完成，實(shí)時(shí)時(shí)鐘也可以保證時(shí)間精度。混合信號(hào)和眾多相互關(guān)聯(lián)信號(hào)的測(cè)試，既有測(cè)試也有激勵(lì)，需要一臺(tái)或多臺(tái)儀器，所構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)就是綜合測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每個(gè)模塊必須具有精確的同步和控制以達(dá)到同時(shí)操作。從這個(gè)角度考慮，通常要求儀器底板提供一個(gè)精密的系統(tǒng)參考鐘、一套觸發(fā)總線、通過前面板提供接收或發(fā)送到其他儀器的時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)接口。PXI底板包括系統(tǒng)參考鐘、PXI觸發(fā)總線、星形觸發(fā)總線等資源。開發(fā)人員可以利用這些資源設(shè)計(jì)精密而靈活的時(shí)基和觸發(fā)控制器，以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)儀器的同步和控制。

（1）PXI底板提供了一個(gè)公共的參考時(shí)鐘，每個(gè)外設(shè)槽都有一個(gè)PXI_CLK10 TTL鐘，從鐘源到每個(gè)槽的布線等長(zhǎng)，兩槽之間的信號(hào)偏移小于1ns。

（2）PXI 規(guī)范定義了八個(gè)觸發(fā)信號(hào)用于模塊間的同步和通信，時(shí)鐘、觸發(fā)和握手信號(hào)共享這個(gè)觸發(fā)總線，覆蓋一個(gè)總線段。PXI TRIG總線允許傳輸不同頻率的采樣時(shí)鐘，多個(gè)模塊可以直接共享這個(gè)采樣時(shí)鐘，其時(shí)鐘脈沖的傾斜精度小于10ns。PXI規(guī)范建議采用PXI_TRIG［7］信號(hào)線，用于發(fā)送或接收采樣時(shí)鐘。在上電時(shí)，這些信號(hào)應(yīng)處于高阻態(tài)。

（3）PXI提供了一個(gè)超高性能的星形觸發(fā)總線，同參考時(shí)鐘一樣，星形觸發(fā)信號(hào)是由位于第一外設(shè)槽的星形觸發(fā)控制器將信號(hào)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)沿著等長(zhǎng)的信號(hào)線傳送給其他外設(shè)槽，其信號(hào)抖動(dòng)小于1ns，覆蓋兩個(gè)總線段。

對(duì)于PXI儀用模塊的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮其在綜合測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用，前面板至少需要一個(gè)時(shí)鐘輸入、一個(gè)雙向觸發(fā)線，結(jié)合儀器本地自洽的時(shí)鐘和觸發(fā)總線，方能建立一套完備的同步機(jī)制。

3.1 PXI儀用模塊精密時(shí)基的設(shè)計(jì)

通常一個(gè)PXI儀用模塊應(yīng)有三個(gè)時(shí)基源： PXI_CLK10參考時(shí)鐘、外部（前面板）10MHz參考時(shí)鐘或65MHz時(shí)基、PXI_TRIG［7］或PXI_STAR提供的采樣鐘。模塊精密時(shí)基的設(shè)計(jì)包括時(shí)基的生成和傳送。由于A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)鐘頻率為65MHz，所以模塊的時(shí)基頻率可以定為65MHz。如果利用10MHz參考時(shí)鐘，還必須通過PLL進(jìn)行倍頻，顯然倍頻系數(shù)不是整數(shù)。當(dāng)不同的模塊利用PXI_CLK10獲取65MHz采樣鐘作為時(shí)基時(shí)，不同模塊間的采樣鐘很難達(dá)到相位同步。為了保證所有模塊同步，如前所述，可將這個(gè)采樣鐘通過PXI_TRIG、PXI_STAR［0:12］傳送給其他外設(shè)槽。對(duì)于多臺(tái)儀器的同步應(yīng)用，最好通過用戶前面板由外部提供時(shí)基源。

由于有多個(gè)時(shí)基源，且通常時(shí)鐘的電平是TTL電平，可采用5V耐壓的電平轉(zhuǎn)換多路復(fù)用/解復(fù)器進(jìn)行選擇。這里選用SN74CB3T3253和SN74CBT16244，其傳播時(shí)延均小于0.25ns。EP1C6Q248內(nèi)部有兩個(gè)PLL，一個(gè)PLL用來從10MHz參考鐘獲取時(shí)基，一個(gè)用于獲取數(shù)據(jù)傳輸和SDRAM控制器的80MHz時(shí)鐘。精密時(shí)基的獲取和源出電路如圖3所示。時(shí)基源的選擇和時(shí)基信號(hào)的源出由用戶通過軟件進(jìn)行配置。

3.2 觸發(fā)控制器的設(shè)計(jì)

除了上述的精密時(shí)基，儀器同步機(jī)制的另外一個(gè)關(guān)鍵是觸發(fā)系統(tǒng)。不論是簡(jiǎn)單測(cè)試系統(tǒng)還是綜合測(cè)試系統(tǒng)，一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)作起點(diǎn)（epoch）依賴于一定的事件。事件有簡(jiǎn)單的，如一個(gè)信號(hào)電平的變化，較為復(fù)雜的是多個(gè)信號(hào)的組合變化，如熟知的邏輯分析儀。對(duì)于綜合測(cè)試系統(tǒng)，激勵(lì)信號(hào)和測(cè)試信號(hào)就更多，而且是相互關(guān)聯(lián)的，一般意義上，激勵(lì)信號(hào)集和測(cè)試信號(hào)集可以用狀態(tài)空間來描述和分析，而事件就是狀態(tài)空間的某種遷移，單個(gè)信號(hào)的變化和數(shù)個(gè)信號(hào)的組合變化則是狀態(tài)空間遷移的特例。在對(duì)同一個(gè)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試時(shí)，為保證儀器的某個(gè)模塊上所發(fā)生的事件能同時(shí)通知到其他模塊或儀器，通常采用一套硬件觸發(fā)機(jī)制或精密時(shí)鐘協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，如最新架構(gòu)的LXI儀器采用PTP來實(shí)現(xiàn)儀器的同步。實(shí)際上硬件觸發(fā)機(jī)制只有硬件延遲，而采用協(xié)議實(shí)現(xiàn)同步的儀器的精度很難做到ns級(jí)，如LXI的同步精度為亞微秒級(jí)，故LXI規(guī)范仍保留了硬件觸發(fā)機(jī)制即A類LXI來滿足對(duì)同步精度要求較高的應(yīng)用。PXI是通過硬件觸發(fā)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)儀器同步動(dòng)作的，通過PXI_STAR總線、PXI TRIG總線實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)中各模塊發(fā)生的事件的相互通知。根據(jù)觸發(fā)電路的實(shí)現(xiàn)方式不同分為PXI同步觸發(fā)和PXI異步觸發(fā)，同步觸發(fā)的參考鐘為PXI_CLK10，有一定的時(shí)序要求。

PXI儀用模塊的觸發(fā)源有：用于不同儀器同步的外部TTL觸發(fā)源（同步觸發(fā)或異步觸發(fā)）、外部模擬電平變化觸發(fā)源（上升沿觸發(fā)源或下降沿觸發(fā)源）、PXI_STAR觸發(fā)源、PXI TRIG觸發(fā)源、軟件觸發(fā)源等。多通道高速數(shù)據(jù)采集模塊通過PXI_STAR總線或PXI TRIG總線傳送給其他模塊或通過外部雙向觸發(fā)信號(hào)線傳送給其他儀器的觸發(fā)源采用PXI同步觸發(fā)，由于采樣時(shí)鐘頻率遠(yuǎn)高于PXI_CLK10頻率，在不違背PXI同步觸發(fā)時(shí)序要求的前提下，同步觸發(fā)的參考時(shí)鐘可以是儀用模塊的時(shí)基，這樣構(gòu)建的綜合測(cè)試系統(tǒng)的同步精度可以達(dá)到理想的情況。多通道高速數(shù)據(jù)采集模塊的觸發(fā)結(jié)構(gòu)如圖4所示。最終處理的觸發(fā)信號(hào)送給FPGA1中的采樣和存儲(chǔ)控制模塊，有選擇地通過PXI觸發(fā)總線送給其他PXI模塊，以及通過外部觸發(fā)信號(hào)送給其他儀器。

此外，根據(jù)相對(duì)于事件的同步時(shí)機(jī)的不同，觸發(fā)分為負(fù)延遲觸發(fā)（Pre-trigger）、零延遲觸發(fā)（Post-trigger）、正延遲觸發(fā)（Delay-trigger）等模式，通過硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)。實(shí)測(cè)表明，當(dāng)信號(hào)發(fā)生器的同一個(gè)信號(hào)輸出到不同采集模塊上，在不同觸發(fā)模式下，其波形在時(shí)間上完全重合，達(dá)到了儀器的同步要求。

4 、EMC設(shè)計(jì)

PXI是個(gè)儀用平臺(tái)，對(duì)機(jī)箱環(huán)境已經(jīng)做了充分的EMC設(shè)計(jì)，PXI底板通過PXI J1、J2連接器向PXI模塊供電。PXI模塊通常分為模擬和數(shù)字兩個(gè)部分，模擬部分靠近前面板，數(shù)字部分靠近PXI連接器。為了增強(qiáng)PXI儀用模塊的抗干擾性能并避免對(duì)其他模塊的干擾，PXI模塊還需要針對(duì)PXI機(jī)箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)精心設(shè)計(jì)電源，特別是參考地平面的安排。

由于儀用模塊通常是模/數(shù)混合電路，將模擬地與數(shù)字地隔離，模擬地與前面板相連，則數(shù)字電路的電流回路通過PXI連接器回到底板地，模擬電路的電流回路只能通過前面板→PXI底板的金屬框架（或者金屬機(jī)箱）這一通路直接流回大地，有效地避免了數(shù)字電路通過電源或地對(duì)模擬電路的干擾，如圖5所示。但兩個(gè)地若完全隔離，熱拔時(shí)前面板與PXI底板和機(jī)箱的聯(lián)結(jié)將脫離，模擬電路的電流回路斷開，造成靜電無法釋放，因此在兩個(gè)地平面之間串上一個(gè)比數(shù)字地到底板地之間的阻值高得多的電阻來解決模擬電路的靜電釋放問題，這個(gè)電阻值通常在10Ω～100kΩ之間選擇。模擬電源采用π型濾波，電感兩端的解耦電容分別與數(shù)字地和模擬地相連。

電源和地平面的精心設(shè)計(jì)以及其他EMC技術(shù)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以將噪聲限制在很低的程度，實(shí)測(cè)表明，模擬電路的系統(tǒng)噪聲只有±1LSB，即±0.09mV。

本文結(jié)合PXI高速數(shù)據(jù)采集模塊的具體設(shè)計(jì)，揭示了設(shè)計(jì)與開發(fā)符合PXI規(guī)范的PXI儀用模塊需要解決的關(guān)鍵問題，以及低成本、開發(fā)靈活的實(shí)現(xiàn)方法。所設(shè)計(jì)的PXI高速數(shù)據(jù)采集模塊在簡(jiǎn)單測(cè)試系統(tǒng)以及導(dǎo)彈綜合測(cè)試系統(tǒng)中均得到了很好的應(yīng)用。

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