随着电子设备功能的不断增强,设计的复杂性也在逐渐提高,对于这些设备的测试要求也越来越高,这促进了自动测试系统的发展。而数字I/O作为自动测试系统重要测试模块,既可以作为激励源向测试设备发送0/1数据,还能采集测试设备的0/1数据用于分析,在很多领域得到了广泛的应用。本课题首先就课题研究背景及意义、国内外发展现状做出论述,提出了课题设计指标。结合课题指标提出了利用Virtex-5系列FPGA作为板卡主芯片的硬件设计方案,通过FPGA提供的内部资源,配合外围芯片实现数字I/O所需的功能。不同于市面上所售的数字I/O模块,本课题创新性的采用FPGA动态重配置的方式,配合程控电源芯片使用,实现数据电平切换的功能。该方法不采用逻辑电平转换芯片,因而降低了硬件设计难度,为开发者提供了便利。接着对模块系统电路进行设计,包括配置单元电路、存储单元电路、PXIe单元电路及FPGA去耦网络等。模块采用在线调试及MASTER BPI_UP两种配置模式,根据调试要求,通过模式选择电路进行切换。存储单元设计中,根据高速存储芯片对信号质量的要求,设计了针对地址总线、控制命令信号线及时钟差分信号线的匹配端接电路,并通过仿真验证了匹配电路对信号的改善效果。此外,由于RocketIO收发器对电源噪声要求较高,设计了类似于低通滤波器的电源滤波网络,网络采用磁珠与电容并联的形式,利用磁珠对高频电流阻抗较大的特点,可以滤除电源的高频噪声。FPGA所有电源管脚都有其纹波要求,而FPGA功能的不确定性又导致无法准确估算其瞬态电流。所以,课题采用“估算——计算——仿真——修正”的方法,利用仿真曲线,反复调整去耦电容组合及容值,获得最优的FPGA去耦网络。最后是最为重要的PCB设计部分。论文先从高速PCB设计的定义及流程出发,表述信号完整性仿真在高速PCB设计中的重要性。然后依据设计流程,分别对数字I/O模块的PCB进行分层、布局及布线。布线阶段,针对高速存储芯片DDR2 SDRAM进行了特别设计,包括执行端接仿真、串扰仿真、时序仿真,获得适合PCB布线的约束条件。在DDR2 SDRAM器件的时序分析过程中,不同于以往纯粹的理论公式推导,课题根据源同步信号的特点推导适合DDR2SDRAM的最大建立时间裕量公式及最大保持时间裕量公式,并将该公式与仿真图形相结合,使时序分析更加简便直观。该公式可以说明为何要对触发及数据信号做等长约束,且能够获得DDR2 SDRAM的最大线长。对于PXIe总线的走线规则,则根据PXIe规范,重点对走线方式进行论述。调试阶段,将课题设计的数字I/O模块与NI-6544测试板卡接入PXIe机箱,两种直接通过VHDCI-68线缆及SMA线缆相连。通过上位机程序控制,数字I/O与NI-6544分别进行数据的发送与接收,整个过程中,改变数据传输速率及逻辑电平。最后,将数据进行对比,证明数字I/O模块功能正常,完成了指标设计。