摘　要：为了解决嵌入式实时数据采集系统中，高速采集数据量大，而处理器的处理速度有限的矛盾，保证数据不丢失并提高处理器的数据吞吐率，文中提出一种基于fpga(现场可编程门阵列) 实现的最优fifo(先入先出存储器) 结构设计，它可以成倍提高数据流通速率，增加嵌入式系统的实时性。

　　关键词：高速数据采集系统；数字信号处理器；异步先入先出存储器；现场可编程门阵列

引　言

　　随着雷达、通信和图像处理中数字处理技术的飞速发展，现代化生产和科学研究对数据采集系统的要求更加严格。在嵌入式条件下，要求数据获取的速度越来越快，精度越来越高，以致数据量及处理速度要求大增，高速adc的出现和dsp性能的不断提高也对系统将来的升级提出了更高要求，特别在一些特殊领域，如航空、航天等，其嵌入式系统体积小、功能强、实时性高，为了避免数据处理不及时，发生数据丢失，破坏系统可靠性，更要进一步提高系统实时性，必须研究开发高速嵌入式数据采集系统。

针对具体的任务要求，文中提出了一种通过fpga 实现转换接口的高速数据采集系统的系统结构，即高速a/d+大容量fpga+高速dsp的嵌入式高速数据采集系统。模数转换器a/d进行高速数据采集，fpga实现对高速a/d 采集数据的存储和控制调度，dsp 通过查询方式访问前端采集通道，对采集的数据进行高速处理，这种方法大大提高了dsp 可以访问的外设数目，提高了dsp的处理能力，同时由于dsp 不直接与模数转换芯片接口，所以adc 芯片的升级或者替代都不会影响原来的数据采集，而且采用了时分复用方式读取转换完成的数据，因此这个系统数据采集速率可以达到所采用的adc 芯片输出的最高速率，能充分发挥dsp 算法处理功能强大、速度快的优势，而fpga 设计灵活、通用性强等特点，使得整个系统具有实时性高、体积小、开发周期短、易于维护和扩展、适合于实时信号处理等多个优点。文中结合成功开发的高速采集系统结构，提出一种基于fpga实现的最优fifo构来实现高速缓存，它可以成倍提高数据流通速率，增加嵌入式系统的实时性。

高速数据采集系统结构

实时信号处理系统中，高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的dsp芯片来实现。特别是ti 公司的c6000 系列dsp，其峰值处理速度已达每秒数十亿条指令，是当今最先进的dsp之一，非常适合于嵌入式实时系统应用。低层的信号预处理算法处理的数据量大、计算量大、对处理速度的要求高，但运算结构相对比较简单，适于用fpga来进行硬件实现，这样能同时兼顾速度及灵活性。目前fpga的容量已经跨过了百万门级，使得fpga成为解决系统级设计的重要选择方案之一。它主要应用于协处理器，辅助dsp芯片完成一些计算密集型的算法。

在笔者设计的高速信息处理计算机中，高速adc模块、fpga 模块以及dsp 模块构成了高速数据采集系统，从此结构中可以看到，dsp可以在未知adc 控制方式的情况下，定时地访问外设来获得模数转换后的数据，而大容量的fpga协助dsp完成数据的预处理，并可以保证采集数据不丢失。

其中adc是一个12位精度、65mhz采样速率的高速模数转换器，可进行高速采样，处理器选用ti公司的tms320c6701 。dsp 内部最高时钟频率可以达到167mhz，dsp读取外部sdram 的最高时钟频率是1/2×cpu ，而读取外部异步存储器的时钟频率可以通过ce 空间控制寄存器来编程控制，其参数需要满足一定要求，即clk>(setup+strobe+hold)>2个时钟周期，时钟频率最高可达80mhz。如果dsp 不通过缓存直接与a/d相连，在采样过程中，若a/d连续采样数据，dsp一直处于连续的间隔取数的状态，这将占用dsp 大部分处理时间，导致dsp 不能从事其他工作。也有可能出现上一次的数据还没有被计算机处理完，下一次采集过程就开始的情况。如果选取更高速的a/d ，更会发生数据丢失，破坏系统的可靠性。因此最好的做法是采用高速缓存来存储采样到的数据，再集中传输一批数据，保证dsp有充足的时间去处理、计算。

系统中采用容量比较大的fpga，利用自主设计的ip核，主要协助主处理器实现数据的预处理(如fft) 功能。为了保证设计的硬件系统体积尽可能小，因此在不增加系统的硬件负担的前提条件下，利用系统中现有的fpga，设计了基于fpga 实现的异步fifo 存储器作为高速缓存器，它满足前后读写时钟频率不同的硬件环境，可使采集系统设计灵活、简单、方便，具有很强的可扩展性。fifo 存储器具有两个特点：数据进出有序；输出输入口独立。灵活使用fifo ，可根据需要设计为不同速率、不同容量的数字系统，接口电路简洁且不占用系统地址资源，系统移植或升级换代方便，而且控制简单。

基于fpga 实现的异步fifo 的设计

fifo结构设计