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基于SOPC的PCI-E高速数据采集系统的设计及实现

发布时间:2018-06-24 20:28

  本文选题:SOPC + FPGA ; 参考:《中国科学院大学(中国科学院工程管理与信息技术学院)》2017年硕士论文


【摘要】:数据采集系统发展到现今,高速采集、高速传输、并行处理、实时分析已成为新的发展趋势。在实际应对某SPARC V8架构CPU的可靠性测试任务中,被采样信号数量多、频率高,经高速采样后,会产生大量的原始数据,这对数据采集系统的采样率、数据处理能力、数据传输带宽提出了新的挑战与要求。此时,传统的数据采集设计方法与技术已经很难满足这种高性能、高速、实时、并行处理的要求,因此需开发一种新型的高速数据采集系统来应对新的挑战。为了解决上述难题,本文提出了新的解决方案,即在传统的设计方法上引入了更为先进的设计思想和技术:FPGA(Field Programmable Gate Array)技术、PCI Express总线技术、SOPC(System on a Programmable Chip)技术。将FPGA引入数据采集系统可以增加系统设计的灵活性和稳定性;PCI Express总线作为现今最先进的计算机总线技术,可以最大化的增加系统数据传输带宽。将SOPC技术引入数据采集系统则可以简化电路设计,增加后期系统可移植性和维护性,并增强与系统之间的人机交互性。因此本文将着重讨论三种技术的特点及在高数数据采集系统中的应用方法。其中将详细阐述系统核心元器件选型的原则,硬件电路的设计原理,PCI Express总线物理层的主流实现方法及优缺点,DDR3高数缓存的应用方法,以及实际电路设计中高速PCB的设计原则与方法,以及高速信号的信号完整性分析与仿真方法等。最后针对SOPC开发的环节,介绍IP核(Intellectual Property Core)的移植和重用,多核协同处理的方法,从硬件到软件对新型数据采集系统整体做一个详细的分析与设计。通过本文的分析与设计,希望可以将三种先进的技术融合到新型高数数据采集系统当中,真正实现采集系统在信号采样率、数据处理能力、数据传输带宽等性能提升的同时,同步增强系统设计的简便性,灵活性、可移植性、电路稳定性,同时还具有操作简捷明了,良好的人机交互界面等优点。在大数据时代的今天,基于SOPC、FPGA、PCI-E技术的高速数据采集系统将具有更广泛的应用,对工业4.0的发展及人工智能的进步具有重要的意义。
[Abstract]:With the development of data acquisition system, high speed acquisition, high speed transmission, parallel processing and real-time analysis have become a new trend. In the testing task of reliability of a SPARC V8 architecture CPU, the number of sampled signals is large and the frequency is high. After high speed sampling, a large amount of raw data will be produced, which is the sampling rate and data processing ability of the data acquisition system. Data transmission bandwidth presents new challenges and requirements. At this time, the traditional data acquisition design method and technology have been difficult to meet the requirements of high performance, high speed, real time, parallel processing, so it is necessary to develop a new high speed data acquisition system to meet the new challenges. In order to solve the above problems, a new solution is proposed in this paper, that is, the more advanced design idea and technology are introduced into the traditional design method. The Array (Field Programmable Gate Array) technology and the PCI Express bus technology (system on a Programmable Chip) are introduced. Introducing FPGA into the data acquisition system can increase the flexibility and stability of the system design. PCI Express bus is the most advanced computer bus technology, which can maximize the data transmission bandwidth of the system. The introduction of SOPC technology into the data acquisition system can simplify the circuit design, increase the portability and maintainability of the later stage system, and enhance the man-machine interaction with the system. Therefore, this paper will focus on the characteristics of the three technologies and the application method in the high number data acquisition system. The principle of selecting the core components of the system, the design principle of hardware circuit, the mainstream realization method of PCI Express bus physical layer and the application method of DDR3 high number cache are described in detail. The design principle and method of high speed PCB in practical circuit design, signal integrity analysis and simulation method of high speed signal are also discussed. Finally, aiming at the development of SOPC, this paper introduces the transplantation and reuse of IP core and the method of multi-core cooperative processing, and makes a detailed analysis and design of the new data acquisition system from hardware to software. Through the analysis and design of this paper, it is hoped that the three advanced technologies can be integrated into the new high number data acquisition system, so as to improve the signal sampling rate, data processing capability, data transmission bandwidth and so on. Synchronous enhancement system design is simple, flexible, portability, circuit stability, but also has the advantages of simple and clear operation, good man-machine interface and so on. In the era of big data, the high-speed data acquisition system based on SOPC-FPGA PCI-E technology will be more widely used, which is of great significance to the development of industry 4.0 and the progress of artificial intelligence.
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院工程管理与信息技术学院)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP274.2

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本文编号:2062815

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