PCI-E总线高速数据采集卡的研制

摘要

在信号与信息处理领域，数据采集技术发挥着至关重要的作用。随着现代工业生产与计算机技术的飞速发展，传统数据采集设备很难满足未来高带宽、大容量、高实时性的数据处理需求。然而，总线技术的不断更新换代使得高速数据采集成为可能。PCI Express(PCI-E)总线作为第三代I/O总线技术，以其突出的性能和超高的传输速率广泛应用于当前的数据采集设备中。通常，低通道数的PCI-E数据采集卡可以采用简单的电子设计自动化(EDA)软件如Protel完成电路原理图和印制电路板(PCB)的设计。然而，对于高通道数PCI-E数据采集卡，由于信号传输速率更高，在PCB的设计过程中需要重点考虑反射和串扰等信号完整性问题，因而简单的EDA软件已无法满足设计需要。为此，本文采用一种更为先进的EDA软件Cadence，按照高速PCB设计流程，从原理图设计，到PCB的布局布线，再到PCB的仿真优化，最后到电路板的调试，初步实现了基于8通道PCI-E总线的高速数据采集卡的研制。
　　论文首先对整个硬件系统进行模块化，并针对各模块进行芯片选型与实现方案的设计。在规划好系统的实现方案之后，根据芯片数据手册针对采集卡各模块进行原理图的设计。
　　在PCB设计阶段，采用的是高速PCB设计方法。在高速PCB设计中，信号的高频化和窄沿化所带来的信号完整性问题需要特别考虑，这将直接关系到设计最终能否实现预期的功能。高速PCB设计中包含信号完整性仿真，由于仿真可以最大程度地改善信号完整性问题，因而PCB设计成为整个高速数据采集卡研制过程中的重点。在本阶段，论文首先对比了传统PCB设计方法与高速PCB设计方法的不同，然后在介绍反射与串扰两大主要信号完整性问题理论知识的基础上，从分层、布局、信号完整性仿真以及布线这四个方面对采集卡进行实际的PCB设计。采集卡的信号完整性仿真为本文的重中之重，通过仿真得到一些具有指导意义的约束规则，如匹配端接、线间距、耦合长度、差分走线静态公差等，利用这些约束规则驱动布局布线，最终在保证良好的信号质量的前提下完成采集卡研制过程中最为关键的PCB设计环节。
　　接下来，对研制出的采集卡实物进行基本功能的测试，包括电源测试和FPGA测试。最后，论文对采集卡的整个研制过程进行总结，并对采集卡可以改进和完善的地方做出展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题背景及研究意义

1．2 PCI-E总线介绍

1．2．1 PCI-E总线的发展

1．2．2 PCI-E总线技术优势

1．3 论文结构及内容安排

2 采集卡总体方案设计

2．1 夹层卡方案设计

2．2 PCI-E模块方案设计

2．3 FPGA控制模块方案设计

2．3．1 FPGA芯片选型

2．3．2 FPGA配置方案设计

2．4 板上存储方案设计

2．5 板上电源方案设计

2．6 本章小结

3 采集卡原理图设计

3．1 采集卡总体电路连接设计

3．2 FPGA配置电路设计

3．2．1 AS配置电路设计

3．2．2 JTAG配置电路设计

3．3 PCI-E接口电路设计

3．4 电源选择电路设计

3．5 DDR3电路设计

3．6 时钟电路设计

3．7 LED指示电路设计

3．8 本章小结

4 采集卡PCB设计

4．1 PCB设计方法

4．1．1 传统PCB设计方法

4．1．2 高速PCB设计方法

4．2 前仿真与后仿真

4．3 信号完整性问题概述

4．4 信号反射基础

4．4．1 反射形成机理

4．4．2 匹配阻抗的端接

4．5 信号串扰基础

4．5．1 串扰形成机理

4．5．2 减小串扰的措施

4．6 采集卡分层

4．7 采集卡布局

4．8 采集卡信号完整性仿真

4．8．1 仿真前的准备

4．8．2 DDR3单端信号反射仿真

4．8．3 DDR3差分信号反射仿真

4．8．4 采集卡串扰仿真

4．9 采集卡布线

4．9．1 布线应遵循的原则

4．9．2 蛇形走线的布线方式

4．9．3 电源与地的布线方式

4．10 本章小结

5 采集卡调试

5．1 采集卡电源测试

5．2 FPGA测试

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 研究展望

参考文献

附录A PCI-E总线高速数据采集卡正面实物图

附录B PCI-E总线高速数据采集卡反面实物图

作者简历