【国产虚拟仪器】基于Zynq的雷达10Gbps高速PCIE数据采集卡方案(二）硬件设计

3.1 引言

采集卡的硬件设计是实现采集功能的基础，良好的硬件设计可以使采集功能更容

易实现，方便软件开发。本章基于第二章的硬件设计方案来详细介绍采集卡硬件设计。

包括载卡和子卡的芯片的选型、配置和具体电路的设计。载卡和子卡的硬件设计总体

框图如图 3.1 所示

3.2 载卡硬件设计

3.2.1

主控芯片选型及配置电路

（

1 ）主控芯片选型及分析

根据第二章采集卡硬件设计分析结果，控制芯片需满足以下条件：

 芯片包含高速 GTX 接口，不少于 12 对，其中光纤 4 对， PCIE8 对；

 片内具有足够的 BRAM 资源，用作 FIFO 接口；

 芯片支持 Aurora 及 PCIE2.0 协议；

 芯片具有外设接口，方便调试，可移植性好。

综合以上需求，主控芯片选择 Xlinx 公司 Zynq7000 系列 SoC ，该产品分类及 PL

部分的资源如表 3.1 所示 [23] 。

由表 3.1 可知， Zynq-7135 以下的产品能满足本采集卡的设计条件，通过对比分

析，选择 Zynq-7100 系列型号为 XC7Z100FFG900-2 的芯片，该芯片内部包含以双

ARM Cortex-A9 为核心的 PS 部分和以 Xilinx Kintex7 系列 FPGA 为核心的 PL 部分。

该芯片的 IOBANK 分布如图 3.2 所示：

图 3.2 中方块里的数字代表引脚所在的 bank 位置，白色方块是电源、接地或者

配置引脚。其中 bank9 ～ bank13,bank33 ～ bank35 是 PL 部分的 IO 引脚； bank109 ～

bank112 是 PL 部分的高速 GTX 接口，每个 bank 提供四组高速差分收发器； bank500 ～

502 是 PS 部分的引脚， PS 部分提供常见的接口，例如以太网、 SPI 总线、 CAN 总线、

Uart 接口等。

（ 2 ）主控芯片的电源配置电路

Zynq7100FFG900 的 PL 和 PS 部分根据 bank 性能和实际需要接入不同的 IO 驱

动电压。 PL 部分需要内核电源、辅助电源、高速 GTX 接口内核电源和高速 GTX 终

端电源。 PL 部分的 BANK 分为 HR(High Range) 和 HP(High Performance) ， HR 部分电

压范围在 1.2V ～ 3.3V 之间，而 HP 部分支持电压范围在 1.2V ～ 1.8V 之间。对于

Zynq7100FFG900 ，它的 HR 部分为 bank9 ～ bank13 ， HP 部分为 bank33 ～ bank35 。 PS

部分需要内部电压、辅助电压、 MIO 电压等。其中 PL 部分和 PS 部分供电电压如表

3.2 所示。

（ 3 ）主控芯片的时钟配置电路

时钟配置电路是 Zynq7000 系列另一种重要的配置电路，所有的时序和命令都是

以外接时钟为基准。若时钟漂移很大，会影响整个系统的性能，甚至出现不工作的现

象。一般用有源晶振作为时钟源。 Zynq7000 系列芯片的时钟有三种，分别为 PL 部分

时钟、 PS 部分时钟和高速 GTX 接口时钟。本采集卡的 PS 部分的时钟由 33.333333MHz

的有源晶振提供，该晶振输出为单端信号； PL 部分的时钟由 100MHz 的有源晶振提

供，该晶振以差分信号的形式输出。 PS 和 PL 的时钟电路图如图 3.3 所示，其中图（

a ） 是 PS 的时钟，图（

b ）是 PL 的时钟。

由于高速数据传输协议多种多样，速率不尽相同，因此实际应用时，需根据具体

协议和传输速率确定高速时钟的频率。本采集卡采用 TI 公司的 CDCM61002 可编程

时钟芯片，该时钟芯片输入时钟信号是单端的，输入信号频率范围为 21.875

～

28.57MHz ；片内有高性能 VCO ，工作频率为 1.75GHz ～ 2.05GHz ；输出可 1 ， 2 ， 3 ，

4 ， 6 ， 8 分频；提供两对差分输出时钟，支持 LVCMOS 电平和 LVDS 电平。

本设计中为该时钟芯片接入 25MHz 的时钟信号，采用拨码开关来给芯片引脚输

入不同的电平，进而控制输出频率，输出频率范围为 62.5MHz ～ 625MHz 。能满足大

多数高速数据传输需求。

高速时钟配置电路框图如图 3.4 所示。

 拨码开关配置及输出时钟频率如表 3.3 所示。

（ 4 ）主控芯片的高速接口电路

Zynq7100FFG900 的高速数据接口有 16 对，采集卡一共用到了 12 对，其中 FMC

接口 4 对， PCIE8 对。其中 bank110 是 FMC 接口， bank111 和 bank112 是 PCIE 接口。

Zynq7100FFG900 的高速接口框图如图 3.5 所示：

（ 5 ）主控芯片的外围配置及电路

Zynq7000 SoC 芯片掉电之后程序会丢失，需要把程序保存在掉电不容易丢失的

存储介质里，一般程序和系统从 SD 卡或 QSPI FLASH 启动。另外程序和系统还可用

以太网口用来远程控制和更新。本设计用两片 FLASH 、一个 SD 卡接口、一片 EMMC

作为程序固化和系统移植的载体，同时设备需要一个以太网口实现远程操作。

Zynq7000SoC 芯片的 PS 提供 SD 卡、 QSPI FLASH 接口和以太网接口， EMMC 连接

到 PL 部分，实际应用时，调用 EMIO 功能实现 EMMC 的读写操作。

采集卡使用两片 QSPI FLASH 芯片，作为保存程序或系统的介质。芯片连接在

PS 的 bank500 ， QSPI FLASH 采用 CYPRESS 公司型号为 S25FL256S ，该芯片存储容

量为 256Mb ，读写时钟最高可达 133MHz 。 QSPI FLASH 连接框图如图 3.6 所示。

SD 卡接口是用来保存程序或系统的， SD 卡接口接在了 bank501 ， EMMC 用来作

为数据存储或保存文件系统，采集卡使用 Micron 公司型号为 MTFC8GAKAJCN-4M

的 EMMC ，该芯片具有 8GB 的容量，读写时钟可达 50MHz ， EMMC 芯片接在了 PL

部分的 bank35 上。

芯片和 SD 卡接口连接示意图如图 3.7 所示。

 以太网接口使用通用的 RJ45 接口，以太网驱动芯片选择 MARVELL 公司型号为

88E1518 ，该芯片适用于 10/100/1000 兆网的接口驱动芯片，以太网驱动接在了 PS 部

分的 bank501 ，网口电路和驱动芯片电路连接框图如图 3.8 所示。

3.2.2

DDR3 SDRAM 选型及配置电路

Zynq 芯片的 PS 部分和 PL 部分需要接入 DDR3 SDRAM ， PS 部分 DDR3 SDRAM

的作用是在系统启动和系统运行时提供数据暂存， PL 部分 DDR3 SDRAM 主要用来

作为高速数据缓存。采集卡的 DDR3 芯片采用镁光公司型号为 MT41K256M16TW-

107 的 DDR3 SDRAM ，其中 PL 部分和 PS 部分各接入 2 片内存颗粒，单芯片数据位

宽为 16bit ，两片芯片数据位宽为 32bit ，总容量为 1GB 。其中 PS 端内存主频可达

1066MHz ， PL 端内存主频可达 1600MHz 。

PL 部分的 DDR3 SDRAM 接在了 bank33 和 bank34 ，这两个 bank 属于 HP 部分，

能将 DDR3 SDRAM 的性能更好的发挥出来， PS 部分的 DDR3 SDRAM 接在了 PS 部

分的 bank502 ，该 bank 是专用来给 DDR3 SDRAM 提供接口， PL 部分和 PS 部分的

DDR3 SDRAM 电路框图如图 3.9 所示。

3.2.3

高速接口电路

采集卡的高速接口有 FMC 接口和 PCIE 接口，一般在高速差分信号引脚处接入

0.1uF 的电容，起隔离直流信号的作用。在布线时，单通道差分线采用相邻平行走线，

尽量减少不同层之间的过孔，以获得更高传输速率；不同通道差分线要等长设计，以

满足同步需求。

FMC 接口中文叫做 FPGA 中间层板卡接口，是连接子卡和载卡的连接通道，通

常子卡上采用公座，载卡上使用母座。 FMC 接口支持最大 10Gbps 的传输速率，潜在

传输速率在 40Gbps 。 FMC 接口有两种，一种是具有 160 引脚的 LPC 连接器，另外一

种是 400 引脚的 HPC 连接器 [24] ， FMC 接口额外提供一组串行收发器、 JTAG 接口和

I 2 C 接口，还可提供不同的电源专用引脚供子卡的器件供电。子卡的设计可以脱离

FPGA IO 引脚的约束，只需要 FMC 引脚对应即可，使设计更具有灵活性。

PCIE 接口电路示意图如图 3.10 所示，图中箭头代表数据方向， RXD 是接收引

脚，用来从 PC 机接收数据， TXD 代表发送引脚，作用是发送数据至 PC 机，在 TXD

的差分信号端需要接入 0.1uF 的电容。 PCIE 接口可以选择 X1 ， X2 ， X8 模式，只需

要把相应的 PRSNT_xx 脚连接至 PCIE_PG 脚即可。本设计采用 X8 模式，需要把

PRSNT_x8 脚与 PRSNT 引脚连在一块。 PCIE 采用金手指接口，能直接与 PC 机连接。

3.2.4

电源电路

电源是采集板的另外一部分重要的部分，良好的电源可以使板子工作正常，否则

电源纹波过大，会影响板子的性能，使板子不工作和功耗过大，甚至导致板子的损坏。

由于 PC 机主板的电压为 12V ，主板供给 PCIE 接口供电电压也为 12V 。为了兼容 PC

机，本采集卡采用 12V 直流电源供电，再由电源管理芯片转换成其他电压，供不同的

芯片使用。

在给设备芯片供电时，电源管理芯片不能工作在满负荷或者超负荷状态，否则输

出电压不稳定，影响整体的工作性能。 Zynq7000SoC 是低功耗设计，输出电流在几个

安培就可以满足供电需求。采集卡采用核心板 + 底板的结构，而主控芯片位于核心板。

考虑到核心板使用电压种类较多，如果 12V 在底板上完成电源转换再连接至核心板，

一方面会导致底板电路设计复杂，另一方面核心板的电源只能由底板提供，核心板不

能单独开发，失去了设计的灵活性。如果电源在核心板上转换，虽然电路复杂，但是

可以很好的移植其他底板上，使设计更灵活。

底板上有 USB 、以太网和 FMC 接口，供扩展功能和连接子卡，这些接口需要额

外的供电，因此在底板上需要做一下简单的电源转换，框图如图 3.11 所示。

底板的电源管理芯片选择 TI 的

芯片，该芯片输入电压范围为

～

18V ，输出电压范围在

～ 7V 之间可编程。最大电流输出为 3A ，能满足大多数

设备开发需求。

核心板需要 0.75V ， 1.0V ， 1.5V ， 1.8V ， 2.0V ， 3.3V ， 5.0V 等不同的电压，供

主控芯片、 DDR3 芯片和其他外设使用。根据实际选用不同的电源管理芯片，电源转

换框图如图 3.12 所示，用箭头表示电压转换。

 在核心板电源设计中，采用 TI 公司的 TPS53355 作为 12V 转 1V 的电源管理芯

片，该芯片需要外部提供转换电压和电源电压。其中转换电压输入范围为 1.5V ～ 15V ，

电源电压输入范围为 4.5V ～ 25V ，芯片输出电压范围为

～ 5.5V ，最大电流可达

30A ； 12V 转

芯片采用 TI 公司的

。该芯片电压输入范围为

～ 18V ，

输出电压范围为 0.76V ～

，输出电流可达 6A ；其余由 5V 转至其他电压的芯片

选用 MPS 公司的 MP2143 ，该芯片输入电压范围为 2.5V ～ 5.5V ，输出电压为 0.6V ～

Vin-0.5V ，其中 Vin 是芯片的供电电压，芯片电流输出能力达到 3A 。经分析验证，芯

片能满足实际开发需求。

3.3 子卡的电路设计

3.3.1

AD 子卡的电路设计

AD 子卡完成模拟信号的数字转换，并通过 FMC 接口发送至采集卡的 Zynq 芯

片。

ADC 芯片采用 TI 公司的型号为 ADC12D800 芯片，该芯片最大采样率为 1.6Gbps ，

分辨率为 12bit 。转换结果根据芯片的配置，能以 12 组差分对的形式输出，也可以分

别作为数据线并行输出。该 ADC 芯片支持两通道的数据转换，分别为 I 通道和 Q 通

道，每个通道有独立的数据线，芯片支持单边沿采样和双边沿采样，通过时钟和控制

接口来控制芯片的工作模式。

芯片的时钟和控制接口及功能如表 3.5 所示。

芯片还配有 SPI 总线接口，在 ADC 芯片工作在延伸控制模式时， SPI 接口可以

用来对 ADC 进行配置，完成偏置、校准等功能。由于本次设计没有涉及到 SPI 总线，

因此这里不在对 SPI 的配置方式和寄存器功能进行赘述。

ADC 芯片电压采用差分输入的形式，本次设计为模拟信号以交流耦合的方式进

入 ADC 芯片，模拟信号经过 SMB 射频接口后，经电路转换为两路差分信号进入 ADC

芯片。电路图如图 3.13 所示。

根据 ADC 芯片手册，该 ADC 芯片工作电压最大为 2.2V ，本次子卡设计中电源

采用 1.9V 供电，由 FMC 接口引入 3.3V 的电压，经电源管理芯片转换为

，供

芯片使用。采用 TI 公司的型号为 LP38503-ADJ 作为 3.3V 到 1.9V 的电源转换，

该芯片供电范围为 2.7V-

，输出电压范围为

-5.0V ，输出最大电流为

。能

满足 ADC 工作需求。

将 AD 芯片的控制线、数据线等引出至 FMC 接口，在电路设计时，数据线要等

长布线，以满足同步需求。综上所述， AD 子卡的电路框图如图 3.14 所示。

3.3.2

光纤子卡的电路设计

光纤子卡完成了光纤接口到 FMC 接口的转接，光纤接口采用 1761987-9 的 QSFP

接口，该接口提供 4 路高速差分接口，通常搭配光纤接口使用，接口提供了一种小型

化和高速传输的解决方案。

本次设计采用的光纤接口型号为 SR4-40G 的光纤插头，该接头提供 40Gbps 的传

输速率，传输距离可达 150m 。光纤接口需要 3.3V 供电，电源由采集卡的 FMC 接口

提供。并将 4 对高速差分线引至 FMC 接口，光纤子卡的框图如图 3.15 所示。

本章完成了载卡和子卡的硬件设计。在载卡的硬件设计中，首先根据不同

Zynq7000SoC 芯片的资源选择合适的主控芯片，并对主控芯片的外围电路进行配置；

然后是 DDR3 SDRAM 芯片的选型配置；接下来是高速接口选择，对 FMC 接口和

PCIE 接口进行详细介绍；最后是载卡电源电路的设计，根据芯片不同的电压需求产

生相应的电压，保证功率满足设计要求；子卡的硬件设计主要对 AD 子卡和光纤子卡

进行详细的设计和分析，在 AD 子卡设计中，介绍了 ADC 芯片的选型和配置，以及

电路设计。在光纤子卡设计中，主要对光纤接口进行选择和电路设计分析。

5.6 采集卡数据采集传输测试分析

上位机起着控制数据传输和存储的功能，要保证速率的同时，还要降低数据误码

率。本节将基于辐射源识别项目的指标进行数据速率的测试和误码的测试。本次测试

首先用外部光纤接口的递增码来模拟数据的传输，测试速率和准确性，以保证满足辐

射源信号项目的要求，然后进行 ADC 的采样测试。

5.6.1

光纤子卡的测试分析

光纤子卡实物图如图 5.16 所示。子卡实现光纤接口至 FMC 接口的转换，光纤接

口提供 4 通道的高速差分对，连接至 FMC 接口。

光纤子卡与载卡连接实物图如图 5.17 所示。

把光纤子卡连接至光纤数据源，将数据卡接入 PC 机，以便进行光纤测试，采用

另一块光纤接口卡作为光纤数据数据源，测试环境如图 5.18 所示。