基于VME总线的八通道数据采集系统的设计

论文摘要

高能物理实验主要研究粒子的能量、动量、时间量和径迹的空间位置等,而数据采集系统就是研究如何处理和分析核探测器给出的电信号,是核仪器数字化的关键环节,同时也是数字信号处理不可缺少的部分。在能谱测量当中,核辐射探测器输出的脉冲信号幅度与入射粒子的能量成正比关系,因此测量这些脉冲的幅度就可以知道辐射的能量。本论文所要完成的工作正是基于这一原理展开的。本文设计了一种基于VME总线的八通道数据采集插件。该插件将从探测器出来的信号经过放大、滤波成形后,用ADC对其进行等间隔地取样,得到一系列数字化的取样值,然后将数字化的结果送入FPGA中,通过FPGA进行电路控制,实现数据的串并转换、存储、判选、寻峰和高速数据缓存,最后将处理结果通过VME、以太网送入在线计算机进行分析和进一步处理。本文给出了VME总线数据采集系统的整体方案,系统总体硬件电路方案的设计包括模拟部分、数字部分及其它硬件接口电路的设计。在可编程逻辑器件的硬件逻辑功能设计中,采用Verilog语言描述各个模块,并对各个模块完成了Verilog输入、功能仿真、逻辑综合、适配分割、布局布线、时序仿真、编程测试。完成了VME总线数据传输的逻辑设计,并用状态机实现了VME总线A24/D16数据传输功能,并编写了测试程序进行检测,能够正常传输数据。通过实验研制和系统调试设计,电路性能良好、逻辑功能具有很强的可编程性。测试结果表明:该电路能够以足够的精度完成对模拟信号的实时提取。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 高速数据采集
• 1.2.1 数据采集系统的组成
• 1.2.2 数据采集系统的主要性能指标
• 1.2.3 LVDS 技术
• 1.2.4 采样定理
• 1.2.5 高速数据采集技术的发展近况
• 1.3 论文的主要工作和结构安排
• 第2章 数据采集系统的硬件电路设计
• 2.1 信号调理电路
• 2.2 ADC 转换电路
• 2.2.1 Pipeline ADC 介绍
• 2.2.2 ADC 的选择
• 2.2.3 ADS5271
• 2.2.4 ADS5271 管脚定义
• 2.2.5 内参考模式
• 2.3 时钟处理电路
• 2.3.1 MPC9351 介绍
• 2.3.2 MPC9351 管脚定义
• 2.3.3 时钟输出频率设置
• 2.4 FPGA 数据处理电路
• 2.4.1 FPGA 的结构与特点
• 2.4.2 FPGA 配置电路
• 2.5 VME 总线电路
• 2.5.1 VME 总线
• 2.5.2 VME 总线接口电路
• 2.6 电源设计
• 2.7 本章小结
• 第3章 高速采集系统的PCB 设计
• 3.1 信号完整性
• 3.1.1 反射
• 3.1.2 串扰
• 3.1.3 同步开关噪声
• 3.2 电源完整性
• 3.2.1 参考层的设计
• 3.2.2 电容
• 3.3 电磁兼容
• 3.4 本章小结
• 第4章 可编程器件的固件设计
• 4.1 FPGA 的设计流程
• 4.2 ISE7.1i 设计环境
• 4.3 各功能电路的设计与仿真
• 4.3.1 串并转换电路设计
• 4.3.2 流水线存储器
• 4.3.3 寻峰比较电路
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统调试结果及分析
• 5.1 ADC 电路调试
• 5.2 FPGA 电路调试
• 5.3 VME 总线接口电路的调试
• 5.4 调试的问题及其解决
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B FPGA 设计文件
• 致谢