基于CPCI总线的一体化数据处理中心的研究与实现

摘要：为了满足工业控制系统多功能和数据处理能力的需求，设计了基于CPCI总线的一体化数据处理中心。系统以FPGA芯片为硬件控制核心，利用硬件描述语言Verilog进行编程，采用自顶向下和模块化的设计方法，实现了在同一嵌入式产品上集成光纤通信、A／D、D／A、CPCI总线、SDRAM存储等功能，实现了系统的一体化、小型化。实际应用表明本系统稳定可靠、易于维护，满足工业控制领域的需求。
关键词：CPCI；FPGA；一体化；数据处理中心

近年来，随着工业控制技术的发展，在工业控制领域中，对控制系统的功能、灵活性和数据处理能力提出了更高的需求，本文从实际工程应用出发，研究并实现了一种基于CPCI总线的一体化可配置数据处理系统。
本设计利用可配置的现场可编程门阵列(FPGA)与具有高可靠性、高密度性的CPCI总线相结合的方法，将众多数据处理功能集成在同一个嵌入式系统板卡上，实现了系统的一体化、小型化。

1 系统总体结构
本系统主要由上位机管理子系统、远程监控子系统和数据处理子系统组成，总体结构如图1所示。

上位机管理系统主要用于显示系统工作状态并提供人机交互界面。远程监控系统通过光纤连接到距离系统1 km以外的位置，实现系统的远程监控。数据处理子系统包括CPCI-6020单板计算机和FTC-9110数据处理单板两部分，CPCI-6020单板计算机用于解释上位机发送的命令并对数据处理中心进行控制。FTC-9110数据处理单板是数据处理的核心部分，也是文中介绍的重点，其整体实现结构如图2所示。

FTC-9110数据处理中心以FPGA为硬件处理核心，通过内部构建的ADC控制模块、DAC控制模块、FLASH模块、SDRAM存储模块、光纤通信模块、PCI总线模块实现对外围设计的A／D数据采集电路、D／A数据输出电路、FLASH存储电路、SDRAM数据存储电路、光纤通信电路以及CPCI总线接口电路的控制，通过与单板计算机的灵活配合，实现对数据的实时处理、高速传输。

2 数据处理流程
系统的数据处理主要以FTC-9110为中心，利用单板计算机对FPGA内部构建的各个模块的灵活控制，实现数据的处理，其数据处理流程如下：
1)利用ADC芯片前端设计的信号调理电路，将输入的单端模拟信号转换为差分信号送入芯片的差分输入端。
2)ADC芯片对输入的信号进行采样，并将采样所得数字信号传送至FFT算法模块。
3)利用FFT算法模块对采集数据进行频域分析，分析数据的结果传送至FIR滤波模块作为滤波输入信号，滤波后输出数据传送至光纤通信模块。
4)光纤通信模块通过高速并串转换模块对滤波输出数据进行8B／10B编码，将16位的数据转换为20位的串行数据，输出速率最高可达1．5 Gbps，然后该高速串行数据进入光电转换模块，传送至远程监控系统。
5)单板计算机控制PCI9656工作在DMA传输模式，通过PCI总线模块和SDRAM存储模块将DAC输入数据写入SDRAM芯片。
6)读取SDRAM芯片数据传送至DAC控制模块，DAC芯片对输入数据进行数模转换，并通过后端设计的调理电路，使信号最终以电压形式输出。