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基于fpga的通用PXI高速仪器总线控制器及应用研究

基于FPGA的通用PXI高速仪器总线控制器及应用研究

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作者：左令哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着电子技术的发展,仪器系统的集成度和复杂度越来越高,标准化、模块化的自动测试系统逐渐成为仪器设备的主流形态。PXI总线因其在速度、可靠性、成熟度等方面的综合优势,被广泛用于自动测试系统的数据传输。目前,PXI板卡设备软硬件设... 详细信息

随着电子技术的发展,仪器系统的集成度和复杂度越来越高,标准化、模块化的自动测试系统逐渐成为仪器设备的主流形态。PXI总线因其在速度、可靠性、成熟度等方面的综合优势,被广泛用于自动测试系统的数据传输。目前,PXI板卡设备软硬件设计技术被国外垄断,国内的研制进程仍处于发展阶段。本文针对这一现状,研究通用型PXI总线控制器的国产化设计方案,并基于此完成PXI高精度频率测量与频标发生系统设计。搭建测试平台,完成通用型PXI总线控制器性能测试,PXI高精度频率测量与频标发生系统的实验验证。从系统性能、资源等角度进行方案论证,设计通用型PXI总线控制器的总体架构。研究通用型PXI高速仪器总线控制器关键技术。解析PXI总线和fpga内部总线协议,设计PXI与fpga内部总线协议转换模式。研究PXI总线控制器fpga逻辑优化策略,提升总线访存性能。面向WIN10操作系统,研究PXI底层驱动程序架构。基于总体架构,完成通用型PXI总线控制器硬件设计。研究高速数字电路设计技术,基于“写缓存,读预取”策略,完成通用型PXI总线控制器fpga逻辑设计,有效提升系统访存速率,且能提供多种访存接口。基于KMDF驱动框架,设计可靠性高、易于调试的PXI设备驱动程序,为应用程序访问PXI总线设备提供API。基于通用型PXI总线控制器,设计高精度PXI频率测量与频标发生系统。采用全同步测频法代替等精度测频法,消除参考时钟和实际闸门信号未同步带来的测量误差。采用DDS原理设计高分辨率的频标发生方案,分析相位截断对输出精度的影响,并对方案进行面积优化,减少系统资源消耗。针对设计指标,完成系统硬件、fpga逻辑和软件设计。最后,搭建PXI总线控制器性能测试平台,对基本访存功能,总线访存延迟,总线访存速率进行测试,验证优化设计方案对于系统性能的实际提升效果。基于测试软件和仪器构建自动测试系统,对高精度PXI频率测量与频标发生系统进行全面测试与误差分析。实验结果表明,本文完成的基于国产化芯片的通用型PXI总线控制器能够达到100.59MB/s的传输速率,基于通用型PXI总线控制器设计的频率测量与频标发生功能相对误差均小于10。

关键词： PXI总线控制器高速仪器 fpga设计优化频率测量频标发生

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