基于ZYNQ的PCIE高速数据采集卡的设计（一）

作为信息处理的第一步，数据采集的作用越来越重要。目前，数据采集已经在航
空、民用、军事、医疗等领域得到广泛应用。随着相关技术的不断发展，信号频率越
来高，带宽越来越大，使得数据采集技术逐渐向高速大数据的方向发展。在电子对抗
应用中，各种复杂宽带雷达体制的出现，使得电磁信号在空间中更为复杂。在复杂电
磁空间中识别出特定信号，首先需要高速 ADC 对电磁信号进行采样，然后经过高速
数据传输至处理器进行数据处理和分析，以便获取电磁信号里面的信息。通常由高速
数据采集卡完成电磁信号的采集和传输，而数据处理既可以由采集卡内高性能的处理
器完成，也可以将数据保存，由 PC 机后续完成。
目前处理器主要有 FPGA 、 ARM 、 DSP 、 PowerPC 等，并且大多数处理器提供高
速串行接口，以实现高速数据传输。高速串行接口是以多通道的差分对进行传输，与
传统并行总线相比，高速串行接口具有抗干扰能力强，速度高的特点，避免了并行总
线的串扰和同步问题 [1] 。 ARM 和 DSP 等处理器是基于 CPU 的架构的，每一时刻只能
执行一条命令。而 FPGA 是以数字电路为基础的芯片，各个模块之间的工作不会受影
响，因此 FPGA 的并行处理性能是 ARM 、 DSP 等处理器无法比拟的 [2] ，然而 FPGA
不适合用来数据处理，通常搭配 ARM 或 DSP 来进行数据处理。
通常采集卡通常使用 FPGA+ARM 或 FPGA+DSP 的处理架构， FPGA 完成信号
的采集和传输， ARM 或 DSP 用来对数据进行处理。由于这种架构使得处理器分离，
使这种结构的电路设计更为复杂，并且软件设计需要不同的开发平台，因此开发的周
期较长。本设计采用 Zynq7000 系列 SoC 为主控芯片，该芯片内部为 FPGA+ARM 的
架构，封装至一个芯片内 [3] 。电路设计简单，而且用一个平台就可以实现 FPGA 和
ARM 的功能，大大节省了开发时间。采集卡的接口通常采用以太网口或 PCIE 接口，
以太网口的传输速度较慢，不适合高速数据的传输。而 PCIE 接口可轻松实现几十
Gbps 的传输速率，在高速数据采集卡方面得到广泛应用。
本课题针对雷达辐射源的高速数据采集需求，设计并实现了一种 PCIE 高速数据
采集卡。使用 Zynq7000 SoC 芯片作为处理芯片，采用 PCIE2.0 协议完成采集卡与雷
达辐射源信号识别平台之间的数据交互，使用 DDR3 SDRAM 实现数据的缓存功能，
最终实现了最高 40Gbps 的数据传输速率。本设计为高速信号采集和传输提供了一种
设计思路和实现方法，具有一定的意义和参考价值。
1.2 国内外相关课题研究和发展现状
1.2.1
高速数据采集卡现状
一般的高速数据采集卡采用如图 1.1 所示的结构，模拟信号经 ADC 采集后进入
处理器，数据经过缓存、处理后可以通过 PCIE 接口或者以太网口接入电脑。处理器
通常采用 FPGA+DSP 或者 FPGA+ARM 的架构。其中， FPGA 用来完成数据采集工
作， DSP 和 ARM 负责完成数据处理工作；大容量缓存一般采用 DDR2 芯片或者 DDR3
芯片，用来暂存数据。采样的数据也可直接由高速 PCIE 接口之间传输至 PC 机，供
下一步处理。高速数据采集依赖于高速 ADC 和高速总线的发展，下面详细说明一下
ADC 的发展现状和处理器的架构。