基于PCI Express总线高速数据采集系统的设计与实现

论文摘要

随着空间对地观测技术向全谱段、高分辨率、全天候方向的发展,获取的遥感数据量和码速率不断增加。为了保证航天地面应用系统能够实时处理和显示遥感图像数据,需要研制高性能的数据接收处理系统。其中,高速数据的采集记录是关键技术之一。本论文在认真调研国内外相关领域研究现状的基础上,采用了第三代I/O互连PCI Express总线来实现高速数据采集处理系统。并且综合考虑性能和成本等因素,确定基于专用的总线协议芯片PEX8311来设计PCI Express总线接口。整个高速数据采集处理系统的硬件设计采用了模块化的设计结构,将硬件系统分为差分数据接收、数据缓存、PCI Express总线接口以及本地总线控制逻辑等主要模块。其中,PCI Express总线接口的PCB设计和本地端时序逻辑是本设计中的重点和难点。系统软件主要包括设备驱动程序和用户应用程序的设计开发。其中,驱动程序的开发严格遵循WDM驱动程序的开发模型,并使用功能完善而且强大的DriverStudio开发环境来完成;应用程序的设计采用了多线程的设计架构和异步的I/O操作,不仅增强与用户之间的交互性,而且还大大提高数据处理的效率。在本课题的设计前期,对系统设计进行了高速信号完整性的分析和可编程逻辑的仿真;在系统后期调试中,利用实时数字示波器和TDR采样示波器对整个硬件系统的信号质量和阻抗进行了调试验证,并根据调试结果对系统的误码率等性能进行评估,同时还详细讨论了调试过程中出现的主要问题和解决方法。通过搭建闭环的收发测试环境,对系统功能和性能进行了测试。经测试表明本系统能够实时收发320Mbps的高速数据流,已经满足实际应用的需求。同时,鉴于使用了FPGA作为本地逻辑控制器,所以本系统具有很大的通用性和灵活性,可以广泛应用于其他高速数据采集、信号处理等场合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及发展前景
• 1.3 论文内容的结构安排
• 第2章 PCI EXPRESS 总线及其接口的实现
• 2.1 PCI EXPRESS 总线系统结构
• 2.2 PCI EXPRESS 总线协议规范
• 2.2.1 PCI Express 总线体系结构概述
• 2.2.2 PCI Express 总线各层逻辑特性及功能
• 2.2.3 PCI Express 总线各层数据包结构
• 2.2.4 PCI Express 总线事务执行示例
• 2.2.5 PCI Express 总线仲裁与QoS
• 2.3 PCI EXPRESS 总线接口信号
• 2.4 PCI EXPRESS 总线设备配置
• 2.5 PCI EXPRESS 总线接口的实现
• 第3章 高速数据采集系统的设计方案
• 3.1 高速数据采集系统的系统架构
• 3.2 高速数据采集卡的设计
• 3.2.1 LVDS 差分信号接收模块
• 3.2.2 PCI-E 总线接口控制模块
• 3.2.3 可编程逻辑控制模块
• 3.2.4 FIFO 高速数据缓存模块
• 3.2.5 系统外围电路的设计
• 3.3 PEX8311 寄存器配置
• 3.3.1 PCI-E 配置空间
• 3.3.2 本地配置空间
• 3.4 本地总线控制逻辑
• 3.5 数据预处理逻辑
• 3.5.1 帧格式同步
• 3.5.2 解扰码
• 3.5.3 数据缓存
• 3.6 板卡PCB 电路设计
• 3.6.1 信号完整性分析
• 3.6.2 高速PCB 设计
• 3.7 小结
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 设备驱动程序的设计
• 4.1.1 WDM 驱动程序
• 4.1.2 驱动程序开发环境的选择
• 4.1.3 驱动程序的设计与实现
• 4.1.4 驱动程序的调试及问题解决
• 4.2 系统应用程序的设计
• 4.2.1 应用程序与驱动程序之间的通信
• 4.2.2 应用程序设计结构及流程
• 4.3 小结
• 第5章 系统仿真与测试验证
• 5.1 系统级仿真
• 5.1.1 高速信号完整性的仿真
• 5.1.2 可编程逻辑的仿真
• 5.2 系统级调试
• 5.2.1 调试与测试环境
• 5.2.2 调试与测试过程
• 5.2.3 调试中出现的问题及解决方法
• 5.3 系统性能测试与分析
• 5.4 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 课题中的创新研究
• 6.3 课题的展望
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢