高速PCI信号采集卡设计与实现综合实例之：硬件系统实现

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        13.7  硬件系统实现

        13.7.1  FPGA配置

        FPGA作可编程器件，可以根据用户的需要进行现场可编程。为此，本系统实现了两种编程配置方式。
         
        一种是直接对FPGA进行编程，使用JTAG模式，在QuartusII 工具中输出SOF文件（SRAM Object File）。其好处是编程速度快，并且由于是对FPGA的SRAM结构进行编程，编程次数要多得多，但是掉电后，SRAM保存的编程信息将会丢失。如图13.17所示为JTAG配置模式的硬件连接方式。
         
        另一种是通过对配置芯片进行编程实现（AS模式）。配置芯片具有掉电保存能力，在系统上电时，FPGA首先从配置芯片中读取编程数据，并对FPGA进行加载。对配置芯片的编程使用Active Serial 编程模式，在QuartusII 工具中输出POF文件（Programmer Object File）。如图13.18所示是AS配置模式的硬件连接方式。

       

        图13.17  JTAG模式硬件连接方式

       

        图13.18  AS模式硬件连接方式

         
        13.7.2  PCI9054配置

        PCI9054上电时，需要配置其内部的PCI配置寄存器和本地配置寄存器以及其他相关寄存器，用来描述PCI9054在系统中的操作状态。
         
        相关的配置信息使用EEPROM来进行存储，EEPROM可以通过编程器进行编程，也可以使用PLX SDK中的PLXMon工具进行编程。该工具可将EEPROM的配置信息导入/导出为EEP文件，便于配置信息的保存和交换。
         
        如图13.19所示是PCI9054接口芯片的配置信息。

       

        图13.19  PCI9054接口芯片配置信息

         
        EEP文件是一个按照EEPROM寄存器顺序保存寄存器值的文件，对应于上面的配置信息，使用ultraedit软件查看该EEP文件可以看到如图13.20所示的信息。

       

        图13.20  EEP文件信息

         
        13.7.3  PCI9054 PCI总线连接规范

        开发基于PCI总线的信号采集设备时，必须按照PCI局部总线的电气规范对信号采集设备进行设计。下面介绍几个比较重要的电气规范。
         
        1．5V与3.3V信号环境

        在PC环境中PCI局部总线的电气规范提供了5V和3.3V两种信号环境，这个从主板上PCI总线连接器上的分隔位置就可以看出。根据两种信号环境，PCI信号采集设备的设计也要进行相应的调整。
         
        PCI局部总线还提供了通用板的设计方案，可以同时支持5V和3.3V信号环境。根据这种方案设计的信号采集设备在连接到不同信号环境下的PCI总线连接器时，就可以自适应调整设备上的供电需求。
         
        2．扩展板技术指标

        这里只描述扩展板（即信号采集设备）上的技术指标，母版的技术指标属于主板上的设计规范，有兴趣的读者可以查阅PCI总线规范。
         
        首先，扩展板要指明板上电源的最大功耗，可以通过连接器上的PRSNT1#和PRSNT2#两个信号进行配置。如表13.4所示为扩展板功耗选择表。
         
        表13.4 扩展板功耗选择表

PRSNT1#	PRSNT2#	扩展板功率配置
开路	开路	不存在扩展板
地	开路	最大功耗25W
开路	地	最大功耗15W
地	地	最大功耗7.5W

         
        其次，需要根据通用板的PCI连接器引脚分配表将PCI9054与连接器正确进行连接。需要注意的是，5V、3.3V和通用板的连接器引脚分配是不一样的，这是进行PCB设计时需要特别注意的。
         
        另外，PCI局部总线规范还对走线长度做了一些限制。例如所有32位接口信号的最大长度走线长度为1.5inch；时钟CLK的走线长度为2.5±0.1inch，并且只能连接至一个负载上（在本案例中，只能连接至PCI9054上）。
         
        13.7.4  电源系统

        电源系统的地位十分重要，但往往设计者对电源系统的重视程度不够。一个合理、稳定的电源系统可以大大减少系统故障的发生率。设计电源时应考虑以下因素。
        ·  电源系统输出的电压、电流、功率等因素。
        ·  电源系统输入的电压、电流。
        ·  电源的稳定性因素。
        ·  电源系统的输出波纹。
        ·  电源系统的兼容性。
        ·  电磁干扰因素。
        ·  电源系统的体积限制。
        ·  电源系统功耗限制。
        ·  电源系统的成本因素。
        以上可以看出，设计一个好的电源系统需要考虑很多因素。
         
        在本系统的电源系统中，由于是PCI设备，因此5V和3.3V都可以从PCI连接器上取得。而FPGA内核需要的1.5V电压（范围是1.425V～1.575V）则采用低压差线性稳压器（LDO）进行设计。
         
        线性电源模块（LDO）优点是成本低、噪声小以及静态电流小等。同时它需要的外围电路很简单，通常只需要一两个旁路电容即可。图13.21所示是LDO模块应用示意图。

       

         

        如果采用固定输出电源芯片，那么选择的范围就缩小了，只有个别芯片提供1.5V的输出，大部分电源芯片的固定输出是1.8V、2.5V和3.3V，但是都具有可调电压的型号。其应用电路连接如图13.22所示。
         
        VREF一般是1.25V，IADJ×R1可以忽略。假定输入VIN为5V，VOUT为1.5V，那么R1/R2=1/5，而R1一般要求100~150W，那么可以选R1＝100W，R2＝500W。如果采用了固定电平输出的芯片，只需要把R2焊0W，R1开路即可。

       

        图13.22  LDO可调模块应用示意图