基于ZYNQ的PCIE高速数据采集卡的设计(三)硬件设计

采集卡硬件设计
3.1 引言
采集卡的硬件设计是实现采集功能的基础,良好的硬件设计可以使采集功能更容
易实现,方便软件开发。本章基于第二章的硬件设计方案来详细介绍采集卡硬件设计。
包括载卡和子卡的芯片的选型、配置和具体电路的设计。载卡和子卡的硬件设计总体
框图如图 3.1 所示。
3.2 载卡硬件设计
3.2.1
主控芯片选型及配置电路
1 )主控芯片选型及分析
根据第二章采集卡硬件设计分析结果,控制芯片需满足以下条件:
芯片包含高速 GTX 接口,不少于 12 对,其中光纤 4 对, PCIE8 对;
片内具有足够的 BRAM 资源,用作 FIFO 接口;
芯片支持 Aurora PCIE2.0 协议;
芯片具有外设接口,方便调试,可移植性好。
综合以上需求,主控芯片选择 Xlinx 公司 Zynq7000 系列 SoC ,该产品分类及 PL
部分的资源如表 3.1 所示 [23]
由表 3.1 可知, Zynq-7135 以下的产品能满足本采集卡的设计条件,通过对比分
析,选择 Zynq-7100 系列型号为 XC7Z100FFG900-2 的芯片,该芯片内部包含以双
ARM Cortex-A9 为核心的 PS 部分和以 Xilinx Kintex7 系列 FPGA 为核心的 PL 部分。
3.3 子卡的电路设计
3.3.1
AD 子卡的电路设计
AD 子卡完成模拟信号的数字转换,并通过 FMC 接口发送至采集卡的 Zynq
片。
ADC 芯片采用 TI 公司的型号为 ADC12D800 芯片,该芯片最大采样率为 1.6Gbps
分辨率为 12bit 。转换结果根据芯片的配置,能以 12 组差分对的形式输出,也可以分
别作为数据线并行输出。该 ADC 芯片支持两通道的数据转换,分别为 I 通道和 Q
道,每个通道有独立的数据线,芯片支持单边沿采样和双边沿采样,通过时钟和控制
接口来控制芯片的工作模式。
芯片的时钟和控制接口及功能如表 3.5 所示。
芯片还配有 SPI 总线接口,在 ADC 芯片工作在延伸控制模式时, SPI 接口可以
用来对 ADC 进行配置,完成偏置、校准等功能。由于本次设计没有涉及到 SPI 总线,
因此这里不在对 SPI 的配置方式和寄存器功能进行赘述。
ADC 芯片电压采用差分输入的形式,本次设计为模拟信号以交流耦合的方式进
ADC 芯片,模拟信号经过 SMB 射频接口后,经电路转换为两路差分信号进入 ADC
芯片。电路图如图 3.13 所示。
3.3.2
光纤子卡的电路设计
光纤子卡完成了光纤接口到 FMC 接口的转接,光纤接口采用 1761987-9 QSFP
接口,该接口提供 4 路高速差分接口,通常搭配光纤接口使用,接口提供了一种小型
化和高速传输的解决方案。
本次设计采用的光纤接口型号为 SR4-40G 的光纤插头,该接头提供 40Gbps 的传
输速率,传输距离可达 150m 。光纤接口需要 3.3V 供电,电源由采集卡的 FMC 接口
提供。并将 4 对高速差分线引至 FMC 接口,光纤子卡的框图如图 3.15 所示。

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