前言

在高端测量系统当中，通常需要同时采集许多路模拟信号，且这些信号的带宽、采样精度、有效时间等都各不相同。此时，如果采用基于MCU的方案，则由于必须同时面对多个不同的ADC而耗费掉MCU的大量资源。再者，当存在高速信号时，数据量将急剧增大，几乎无法实现。

高端测量系统的主要难题是，繁多的控制对象和庞大的数据量，究其根本就是实时性问题。解决这个问题的方法通常是选用高性能的MCU甚至DSP，或采用DMA技术。如基于混合信号MCU的DTC(Direct Transfer Control)解决方案。本文改变了基于MCU的分时控制和延时存储这一思路。提出一种采用FPGA的解决方案，通过FPGA+ADC实现多路并行采样，通过FPGA+SRAM实现高速实时存储，从而在根本上解决了上述问题，同时衍生出便于调整、易于扩展的优点。

总体方案

本方案的总体设计思路是：尽可能地减少MCU的负担，让采样和存储全部自主完成。为行文方便，我们称这个基于FPGA的采样和存储模块为信号采集控制器(Signal Collecting Controller)，缩写为SCC，把信号采样和存储合称为信号采集。下文将以一个实际例子说明SCC的设计方案。该例子的原型应用于粒子测量系统中，共有5个信号通道，其中3个通道的采样率为1MSPS，数据宽度为12位；一个通道为10MSPS，数据宽度为12位；一个通道采样率为20MSPS，数据宽度为10位。总体方案如图1所示。需要说明的是，本文旨在阐述一种思路和方案，并非提供可照搬的详细设计。故对原型进行了抽象和删改，也未给出器件的具体型号。

图1中虚线框内是FPGA实现部分，即SCC，虚线框外是与SCC连接的片外元器件。ADC0~4为5个ADC，分别对应5个信号通道，下文简写为ADCx；ZBT-SRAM为零总线延时SRAM。AD_CTRL0~4分别为5个ADC的控制器，简写为AD_CTRLx；SRAM_CTRL为ZBT-SRAM的控制器；MCU_IF为SRAM与MCU接口的转换器。clk、dq为控制ADC的接口，dq是转换数据，可以是串行的，也可以是并行的，根据实际的ADC型号而定；mclk、w/r、addr、dio是SCC与ZBT-SRAM的接口；bus是SCC与MCU连接的控制、地址和数据总线。wr0~4分别为AD_CTRL0~4输出的数据有效信号，简写为wrx；d0~4为AD_CTRL0~4输出的并行数据，简写为dx；set、index、din、dout用以完成MCU对SRAM_CTRL模块的参数设置和查询，称为控制口；irq、den、data用以读取SRAM中的数据，称为数据口。

下面简略地描述一下SCC的工作过程，更具体的内容在SRAM_CTRL模块中介绍。AD_CTRLx从ADCx中获得数据，锁存在dx上，同时输出wrx信号。SRAM_CTRL扫描AD_CTRLx，当发现wrx有效时，读入数据dx。各路dx在SRAM_CTRL内部被按照ZBT-SRAM的数据宽度进行调整，SRAM_CTRL根据各路数据的地址空间分配产生寻址信号addr，同时输出控制信号w_r，输出相应数据dio，在mclk的驱动下，数据被写到SRAM中。MCU可从MCU_IF读取SRAM中的数据，首先通过控制口设置欲读取的数据通道号，然后发送开始读命令(注：需事先制定控制协议)，SRAM_CTRL即把对应通道的数据陆续送到数据口，并输出数据有效信号den，MCU_IF根据den把data存进FIFO中。其中irq为中断申请信号，用以通知MCU存储器空或满，可根据实际情况选用，本例未使用。

如此，整个信号采集的过程已经彻底脱离了MCU的控制，可以完全自主地进行，即MCU对于信号采集是不可见的。反过来，还要求信号采集对MCU读数据不产生任何干预，让MCU就像读取一块独占的存储器一样，即信号采集对于MCU是透明的。这些都需通过SRAM控制器来实现。

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