FPGA 高速擷取板開發

FPGA 高速擷取板核心優勢

1. 超狂並行處理力
   FPGA 天生就是「多工達人」，硬體電路一次把所有通道都吃完，不像 CPU 還在那邊排隊。舉個實例：16-bit 精度下衝到 500 kSPS 只是小菜一碟，多通道同步擷取完全不掉速。
2. 超彈性、隨改隨上線
   想要換感測器？加個濾波？改觸發條件？直接在 Vivado 裡拉 Block Design、改 Verilog/VHDL，編完 bit 檔，五分鐘後燒進板子就能上工。客戶臨時改規格也不怕，不用重新洗板，超省時。
3. 即時反應、零拖延
   PID、FIR、IIR、峰值偵測這些演算法通通下進硬體，反應時間拉到奈秒等級。對於要做「閉迴路控制」或「即時回授」的應用（像馬達伺服、振動抑制），就是救命仙丹。
4. 一卡抵多卡，系統超精簡
   時序控制、記憶體管理（FIFO、雙口 RAM）、通訊介面（PCIe、USB 3.0、Gigabit Ethernet）全部包進 FPGA。板子省下一大堆 IC，BOM 成本、Layout 空間、Debug 時間一次砍半，老闆看到報價單會笑。

系統架構怎麼選？

硬體設計關鍵考量

1. 類比前端設計 (AFE)：
   • 訊號調理：根據感測器輸出訊號（幅度、類型），設計衰減網路、可程式設計增益放大器（PGA）（如 LTC6911，增益 1-100 V/V 可調）和濾波電路（如二階阻容低通濾波），將訊號調整到 ADC 最佳輸入範圍
   • ADC 選型：核心指標包括解析度（如 16 位元）、取樣率（如 500KSPS、80MSPS）、通道數和介面類型（並列、高速序列如 JESD204B）。選擇時需預留餘量
   • 參考電壓源：選擇高精度、低溫漂的參考源（如 MAX6325，精度 0.02%，溫漂 0.5ppm/℃）對保證 ADC 轉換精度至關重要
2. 數位部分設計：
   • FPGA 選型：根據邏輯資源需求（邏輯單元、塊 RAM、DSP Slice）、介面要求（高速收發器數量、支援協定如 PCIe）、效能和處理速度綜合考量。例如 Xilinx 的 UltraScale 系列適用於 PCIe 4.0 等高速介面
   • 時鐘設計：為 ADC 和 FPGA 提供低抖動、高穩定性的時鐘源。對於高速多通道同步，需設計良好的時鐘樹和重設樹
   • 介面擴充：預留豐富介面，如 PCIe、USB、千兆乙太網路等，便於與上位機或其它裝置高速傳輸資料
3. 校正電路設計：高精度採集卡需包含自校正電路（如用高精度 DAC 產生標準參考訊號），透過軟體演算法補償增益誤差和偏移誤差，確保長期準確性

FPGA 邏輯開發

FPGA 內部邏輯設計是核心，主要功能模組如下：

// 以 ADC 驅動和控制狀態機為例的簡化程式碼框架
module adc_controller (
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire start_conversion,
input wire [7:0] control_word, // 通道選擇、量程等
output reg adc_cs_n,
output reg adc_rd_n,
output reg adc_wr_n,
input wire adc_data_ready, // 例如 INT 訊號
input wire [15:0] adc_data_in,
output reg [15:0] data_out,
output reg data_valid
);

// 狀態定義
parameter STATE_IDLE   = 2'b00;
parameter STATE_START  = 2'b01;
parameter STATE_WAIT   = 2'b10;
parameter STATE_READ   = 2'b11;

reg [1:0] current_state, next_state;

// 狀態機第一段：同步時序邏輯
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) current_state <= STATE_IDLE;
    else current_state <= next_state;
end

// 狀態機第二段：組合邏輯判斷狀態轉移
always @(*) begin
    case (current_state)
        STATE_IDLE: next_state = start_conversion ? STATE_START : STATE_IDLE;
        STATE_START: next_state = STATE_WAIT; // 啟動轉換後進入等待
        STATE_WAIT: next_state = adc_data_ready ? STATE_READ : STATE_WAIT; // 等待轉換完成
        STATE_READ: next_state = STATE_IDLE; // 讀完回到空閒
        default: next_state = STATE_IDLE;
    endcase
end

// 狀態機第三段：輸出控制訊號
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        adc_cs_n <= 1'b1;
        adc_rd_n <= 1'b1;
        adc_wr_n <= 1'b1;
        data_out <= 16'b0;
        data_valid <= 1'b0;
    end else begin
        case (next_state)
            STATE_START: begin // 產生啟動轉換脈衝（WR+CS）
                adc_cs_n <= 1'b0;
                adc_wr_n <= 1'b0;
            end
            STATE_WAIT: begin // 釋放 WR，保持 CS 有效與否依晶片而定
                adc_wr_n <= 1'b1;
            end
            STATE_READ: begin // 產生讀取脈衝（RD+CS），讀取資料
                adc_rd_n <= 1'b0;
                data_out <= adc_data_in;
                data_valid <= 1'b1;
            end
            default: begin // IDLE 及其他狀態，預設輸出
                adc_cs_n <= 1'b1;
                adc_rd_n <= 1'b1;
                adc_wr_n <= 1'b1;
                data_valid <= 1'b0;
            end
        endcase
    end
end

endmodule

1. ADC 驅動與控制：用狀態機精確產生 ADC 的時序（如啟動、讀/寫、晶片選擇訊號），並讀取轉換資料
2. 資料緩存與管理：使用 FPGA 內部的 Block RAM 構建 FIFO（先入先出記憶體）或雙埠 RAM，緩衝高速採集的資料，解決與後續處理模組或傳輸介面之間的速度差異。對於海量資料，可外接 DDR SDRAM
3. 資料處理演算法：根據需要在 FPGA 內實現即時處理，如數位濾波、累加平均、壓縮、演算法加速等，減輕後端處理器壓力
4. 觸發邏輯：實現靈活觸發機制，如外部觸發、軟體觸發、通道電位觸發等，實現精準的事件捕獲
5. 介面協定實現：在 FPGA 中實現與上位機或其它器件的通訊協定，如：
   • PCIe：透過 XDMA IP 核實現與上位機的高速資料互動
   • USB：例如配置 CY7C68013 的 Slave FIFO 模式與 FPGA 通訊
   • 乙太網路：實現 UDP/IP 協定堆疊進行資料傳輸
   • JESD204B：用於高速 ADC/DAC 與 FPGA 間的序列資料傳輸

系統整合與除錯

1. 驅動程式開發：在上位機（如 Windows）開發驅動，使應用程式能存取採集卡硬體資源。常用工具如 WinDriver
2. 上位機軟體開發：使用 LabVIEW、C++、C#、Python 等開發應用程式，用於參數設定、資料接收、顯示、分析和儲存。LabVIEW 的圖形化程式設計和儀器控制能力使其在量測控制領域應用廣泛
3. 校正與測試：撰寫測試程式，系統化地驗證功能、效能指標（精度、速度、穩定性）和可靠性。進行溫度測試和長時間執行測試

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