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摘要：介绍了一种基于LXI总线数字化仪模块的总体设计方案。该数字化仪模块以FPGA和DSP作为采集控制和信号处理核心单元，兼容两种标准频率中频信号的采集与数据处理，采用基于IEEE15/88精密时钟协议提供的时间基准进行精确定时触发。软件系统在Windows NT平台上实现，开发了基于Lab Windows／CVI的虚拟仪器软面板，保证了模块运行的稳定性和人机界面的友好。本数字化仪模块的特点在于该模块在高性能FPGA的控制下实现两种中频信号采集，最高采样频率可达130MHz，可靠性、稳定性好，具有较好的实用价值。
关键字：LXI总线；FPGA；DSP；IEEE1588
引言
LXI是基于以太网技术等工业标准，由中小型总线模块组成的新型仪器平台。它由安捷伦公司和VXI科技公司于2004年9月共同合作成立的LXI联盟提出的，利用现有Ethernet标准、Internet工具、LAN协议、IEC物理尺寸和IVI驱动程序的各方优点，使测试系统的互连平台转向更高速的PC标准的I／O，是构成新一代合成仪器平台的标准。
LXI总线数字化仪模块能够对两种标准频率的中频信号进行数据采集和数字中频处理与分析、并且给出幅频特性分析结果、也可以直接输出数字中频I／Q数据，提供给其他分析设备进行用户需要的特定分析。
总体实现方案
LXI总线数字化仪模块主要包括中频信号处理通路、高速ADC、基于FPGA与DSP的数字中频信号处理、数据存储单元以及嵌入式微处理器等部分，具体实现方案如图1所示。中频信号处理通路部分主要完成模拟中频信号预采样处理、程控增益控制、抗混叠滤波等，处理后的中频信号经过高速ADC采样，采样得到的数字中频信号首先送到FPGA进行数字下变频、数字滤波等处理后得到IQ两路数据，再存储在存储器中，然后由DSP进行本地数据运算，以得到要分析信号相应的特性信息。IQ数据也可以直接送到模块前面板，即IQ数据输出。嵌入式微处理器是整个模块的控制核心，完成系统间的通讯、图形控制，同时提供丰富的接口。
关键电路实现
中频信号处理通路设计
由于中频数字化仪模块能够对两种频率的中频信号进行采样与信号处理，因此整个中频信号通道覆盖两种中频带宽。中频信号处理通路主要完成中频信号滤波、信号放大、抗混叠滤波以及对数检波和预采样等。中频信号在进入模块通道后，首先进行低通滤波，滤除中频信号中的高频分量，滤波后需要对信号进行放大控制，以满足ADC的采样要求。信号进入ADC之前要进行抗混叠滤波处理，在抗混叠滤波电路部分信号通道分成两路，进行第一种中频信号分析时，通过控制开关选择第一中频滤波通道；进行第二种中频信号分析时，选择第二中频滤波通道。信号通道前端的对数检波及预采样电路辅助程控增益放大器实现模块整个通道0dB～30dB的自动增益功能。同时为提高模块的动态范围，在中频信号进入高速ADC之前设计有噪声叠加电路。具体实现原理如图2所示。
ADC电路设计
数字化仪模块ADC采用14位、130Msps模数转换器(ADC)，为减小信号干扰，采用模拟差分输入方式。转换器的数字输出为低功耗LVDS、二元补码数据格式，以方便后续数据处理。
为满足模块能够完成对两种中频信号采集，ADC电路部分设计了可变采样时钟电路，模块会根据用户的测试需要自动选择不同的采样时钟，并且采样时钟始终锁定在模块内部或外部参考上。采样时钟发生电路由参考电路、集成锁相环路(内部自带VCO)及DDS电路三部分组成，如图3所示。基于FPGA的控制电路控制集成锁相环路内部自带的VCO锁定在一个固定输出频率上，采样时钟信号则由DDS对VCO输出的信号分频得到。
基于FPGA和DSP的数字中频信号处理电路设计
FPGA主要完成数字中频信号处理和硬件电路的控制。其中信号处理部分包括数字下变频、数字滤波等，总体结构上由DDS、下混频器、MAC滤波器、系数存储器等组成，DDS完成数控本振(NCO)的功能，用来产生下变频所需的本振信号：硬件电路控制部分包括中频信号处理通路控制、采样时钟控制、数据存储控制及触发控制等。
FPGA处理后数据的最终处理与运算工作由DSP完成，包括中频检波、对数处理、视频滤波、视频检波以及对运算结果进行误差修正等任务，处理完成的数据通过LXI总线接口送到虚拟仪器软面板进行结果显示。由于要进行两种中频信号测量，数据处理复杂程度高，而DSP和FPGA的存储空间有限，因此采用动态更新DSP程序和FPGA程序的方法。根据用户选择的功能，重新配置DSP和FPGA代码到芯片，此方法提高了软件的灵活性和可扩展性，同样缩小了硬件体积，减少了硬件成本。
LXI触发电路设计
LXI规范提供了3种触发方式：基于LAN的触发；基于IEEE1588精密时钟协议提供的时间基准进行定时触发：通过专用LXI触发总线的触发。
本数字化仪模块采用基于IEEE1588精密时钟协议提供的时间基准进行定时触发，该触发需要通过网线来实现IEEE1588协议，使各设备的实时时钟保持同步、各设备根据同步的时间实现事件的同步。由带有以太网外设的CPU处理器和FPGA组成。FPGA仍然实现IEEE 1588时间戳和硬件触发的功能，这样可以大大提高同步精度，同时有利于LXI测试模块的升级和维护。
模块软件设计
驱动软件设计
在以NT为核心的WIN2K、WINXP操作系统中，由于安全性、稳定性的考虑，操作系统不允许应用程序直接访问硬件资源，要实现对LXI总线中频数字化仪硬件电路的控制就必须开发硬件设备驱动程序，作为下层硬件和上层应用程序的纽带，实现应用程序对底层硬件的访问。
在中频数字化仪软件开发中，我们利用工具软件DriverStudio，按照Windows驱动程序模型(WDM)设计了本数字化仪模块驱动程序，在驱动程序中实现端口的读写、中断的响应及DMA传输等。
在中频数字化仪模块中、主机与模块交互的数据量很大、通过CPU控制读写很耗费CPU资源，经常导致计算机响应迟缓，为此我们采用了DMA数据传输方式。DMA是利用PCI9054的DMA控制器，在本地设备与计算机内存之间进行数据传输。由于DMA控制器与CPU是并行操作，所以在数据传输的过程中，CPU可以空闲下来做数据处理等工作，这种传输方式特别适合大数据量、多线程的处理。在DriverStudio中，类KdmaAdapter封装 了DMA适配器。
模块测控软件设计
考虑到调用设备驱动程序操作比较复杂，并且需要一定的硬件知识，不利于用户二次开发使用，在模块中我们对设备驱动程序进行了封装、将设备的功能模块封装为一个个直观易用的高层函数，屏蔽了模块的具体的控制方式，减少用户在开发应用程序时对模块的了解。
为了实现模块驱动程序的兼容性和规范性，统一采用虚拟仪器接口，对虚拟仪器的接口函数进行了统一的命名约定，统一的函数输出格式，能够满足在Microsoft Visual c++、c++Builder、Lab Windows／CVI、Lab View等多种语言环境的二次开发的需要，以动态库的形式提供用户。
由于LXI总线数字化仪模块本身不具有显示控制界面，因此开发了一个可视化的虚拟仪器软面板控制界面，方便用户对模块的控制与使用，虚拟仪器软面板控制软件将随模块一并提供给用户。
模块自动识别
LXI测试模块在连接到总线上时应能自动被发现并识别。该机制主要通过实现LXI测试模块内部的RPC服务器和VXI-11协议来实现。具体的工作原理是：客户端(主控计算机)首先向服务器发出RPC请求服务，当服务器接收到该请求后，必须将VXI11内核的网络端口号发送给客户端，客户端接收到该端口号后，与服务器建立TCP／IP通讯链路，并向LXI测试模块发送“*IDN?”查询信息，LXI数字化仪模块随后将仪器的信息，包括厂商、型号、版本号等信息回发给客户端，同时，客户端和服务器也通过该链路来实现SCPI命令的传输。
结语
LXI总线数字化仪模块可实现最高130MSa／s的采样速率，可以进行两种标准中频信号数据采集与信号处理，同时具有参考输入输出、IQ数据输出、触发输入输出等功能。此模块已应用于某LXI总线合成化测试仪器系统，用于频谱分析和功率测量，图4为进行频谱测量时波形图。
通过测试，LXI总线数字化仪模块各项技术指标达到预先设计要求，具有较高的稳定性、可靠性及系统兼容性。随着LXI总线模块化产品的发展及LXI总线微波测试系统的需求，LXI总线数字化仪模块将具有更好的应用和市场前景。
关键字：LXI总线；FPGA；DSP；IEEE1588
引言
LXI是基于以太网技术等工业标准，由中小型总线模块组成的新型仪器平台。它由安捷伦公司和VXI科技公司于2004年9月共同合作成立的LXI联盟提出的，利用现有Ethernet标准、Internet工具、LAN协议、IEC物理尺寸和IVI驱动程序的各方优点，使测试系统的互连平台转向更高速的PC标准的I／O，是构成新一代合成仪器平台的标准。
LXI总线数字化仪模块能够对两种标准频率的中频信号进行数据采集和数字中频处理与分析、并且给出幅频特性分析结果、也可以直接输出数字中频I／Q数据，提供给其他分析设备进行用户需要的特定分析。
总体实现方案
LXI总线数字化仪模块主要包括中频信号处理通路、高速ADC、基于FPGA与DSP的数字中频信号处理、数据存储单元以及嵌入式微处理器等部分，具体实现方案如图1所示。中频信号处理通路部分主要完成模拟中频信号预采样处理、程控增益控制、抗混叠滤波等，处理后的中频信号经过高速ADC采样，采样得到的数字中频信号首先送到FPGA进行数字下变频、数字滤波等处理后得到IQ两路数据，再存储在存储器中，然后由DSP进行本地数据运算，以得到要分析信号相应的特性信息。IQ数据也可以直接送到模块前面板，即IQ数据输出。嵌入式微处理器是整个模块的控制核心，完成系统间的通讯、图形控制，同时提供丰富的接口。
关键电路实现
中频信号处理通路设计
由于中频数字化仪模块能够对两种频率的中频信号进行采样与信号处理，因此整个中频信号通道覆盖两种中频带宽。中频信号处理通路主要完成中频信号滤波、信号放大、抗混叠滤波以及对数检波和预采样等。中频信号在进入模块通道后，首先进行低通滤波，滤除中频信号中的高频分量，滤波后需要对信号进行放大控制，以满足ADC的采样要求。信号进入ADC之前要进行抗混叠滤波处理，在抗混叠滤波电路部分信号通道分成两路，进行第一种中频信号分析时，通过控制开关选择第一中频滤波通道；进行第二种中频信号分析时，选择第二中频滤波通道。信号通道前端的对数检波及预采样电路辅助程控增益放大器实现模块整个通道0dB～30dB的自动增益功能。同时为提高模块的动态范围，在中频信号进入高速ADC之前设计有噪声叠加电路。具体实现原理如图2所示。
ADC电路设计
数字化仪模块ADC采用14位、130Msps模数转换器(ADC)，为减小信号干扰，采用模拟差分输入方式。转换器的数字输出为低功耗LVDS、二元补码数据格式，以方便后续数据处理。
为满足模块能够完成对两种中频信号采集，ADC电路部分设计了可变采样时钟电路，模块会根据用户的测试需要自动选择不同的采样时钟，并且采样时钟始终锁定在模块内部或外部参考上。采样时钟发生电路由参考电路、集成锁相环路(内部自带VCO)及DDS电路三部分组成，如图3所示。基于FPGA的控制电路控制集成锁相环路内部自带的VCO锁定在一个固定输出频率上，采样时钟信号则由DDS对VCO输出的信号分频得到。
基于FPGA和DSP的数字中频信号处理电路设计
FPGA主要完成数字中频信号处理和硬件电路的控制。其中信号处理部分包括数字下变频、数字滤波等，总体结构上由DDS、下混频器、MAC滤波器、系数存储器等组成，DDS完成数控本振(NCO)的功能，用来产生下变频所需的本振信号：硬件电路控制部分包括中频信号处理通路控制、采样时钟控制、数据存储控制及触发控制等。
FPGA处理后数据的最终处理与运算工作由DSP完成，包括中频检波、对数处理、视频滤波、视频检波以及对运算结果进行误差修正等任务，处理完成的数据通过LXI总线接口送到虚拟仪器软面板进行结果显示。由于要进行两种中频信号测量，数据处理复杂程度高，而DSP和FPGA的存储空间有限，因此采用动态更新DSP程序和FPGA程序的方法。根据用户选择的功能，重新配置DSP和FPGA代码到芯片，此方法提高了软件的灵活性和可扩展性，同样缩小了硬件体积，减少了硬件成本。
LXI触发电路设计
LXI规范提供了3种触发方式：基于LAN的触发；基于IEEE1588精密时钟协议提供的时间基准进行定时触发：通过专用LXI触发总线的触发。
本数字化仪模块采用基于IEEE1588精密时钟协议提供的时间基准进行定时触发，该触发需要通过网线来实现IEEE1588协议，使各设备的实时时钟保持同步、各设备根据同步的时间实现事件的同步。由带有以太网外设的CPU处理器和FPGA组成。FPGA仍然实现IEEE 1588时间戳和硬件触发的功能，这样可以大大提高同步精度，同时有利于LXI测试模块的升级和维护。
模块软件设计
驱动软件设计
在以NT为核心的WIN2K、WINXP操作系统中，由于安全性、稳定性的考虑，操作系统不允许应用程序直接访问硬件资源，要实现对LXI总线中频数字化仪硬件电路的控制就必须开发硬件设备驱动程序，作为下层硬件和上层应用程序的纽带，实现应用程序对底层硬件的访问。
在中频数字化仪软件开发中，我们利用工具软件DriverStudio，按照Windows驱动程序模型(WDM)设计了本数字化仪模块驱动程序，在驱动程序中实现端口的读写、中断的响应及DMA传输等。
在中频数字化仪模块中、主机与模块交互的数据量很大、通过CPU控制读写很耗费CPU资源，经常导致计算机响应迟缓，为此我们采用了DMA数据传输方式。DMA是利用PCI9054的DMA控制器，在本地设备与计算机内存之间进行数据传输。由于DMA控制器与CPU是并行操作，所以在数据传输的过程中，CPU可以空闲下来做数据处理等工作，这种传输方式特别适合大数据量、多线程的处理。在DriverStudio中，类KdmaAdapter封装 了DMA适配器。
模块测控软件设计
考虑到调用设备驱动程序操作比较复杂，并且需要一定的硬件知识，不利于用户二次开发使用，在模块中我们对设备驱动程序进行了封装、将设备的功能模块封装为一个个直观易用的高层函数，屏蔽了模块的具体的控制方式，减少用户在开发应用程序时对模块的了解。
为了实现模块驱动程序的兼容性和规范性，统一采用虚拟仪器接口，对虚拟仪器的接口函数进行了统一的命名约定，统一的函数输出格式，能够满足在Microsoft Visual c++、c++Builder、Lab Windows／CVI、Lab View等多种语言环境的二次开发的需要，以动态库的形式提供用户。
由于LXI总线数字化仪模块本身不具有显示控制界面，因此开发了一个可视化的虚拟仪器软面板控制界面，方便用户对模块的控制与使用，虚拟仪器软面板控制软件将随模块一并提供给用户。
模块自动识别
LXI测试模块在连接到总线上时应能自动被发现并识别。该机制主要通过实现LXI测试模块内部的RPC服务器和VXI-11协议来实现。具体的工作原理是：客户端(主控计算机)首先向服务器发出RPC请求服务，当服务器接收到该请求后，必须将VXI11内核的网络端口号发送给客户端，客户端接收到该端口号后，与服务器建立TCP／IP通讯链路，并向LXI测试模块发送“*IDN?”查询信息，LXI数字化仪模块随后将仪器的信息，包括厂商、型号、版本号等信息回发给客户端，同时，客户端和服务器也通过该链路来实现SCPI命令的传输。
结语
LXI总线数字化仪模块可实现最高130MSa／s的采样速率，可以进行两种标准中频信号数据采集与信号处理，同时具有参考输入输出、IQ数据输出、触发输入输出等功能。此模块已应用于某LXI总线合成化测试仪器系统，用于频谱分析和功率测量，图4为进行频谱测量时波形图。
通过测试，LXI总线数字化仪模块各项技术指标达到预先设计要求，具有较高的稳定性、可靠性及系统兼容性。随着LXI总线模块化产品的发展及LXI总线微波测试系统的需求，LXI总线数字化仪模块将具有更好的应用和市场前景。