一种带冷却的PCIExpressGen3FPGA波形发生卡的制作方法

本发明涉及电子通信中的电子信号的发生装置及安全防护，特别是一种带冷却的pciexpressgen3fpga波形发生卡。

背景技术：

现代物理通信及实验中，都需要原始的信号发生，特别是在宽带雷达系统、激光雷达系统、微波通信系统、光学测试系统、高能物理测试系统，方便而安全的波形发生卡，是实现其功能的关键一环。

agilent和vxitechnology公司于2004年提出了一种新的仪器总线-lxi(lanextensionsforinstrumentation)。lxi仪器无须专门的背板总线机箱和零槽控制器，直接利用通用pc的标准lan接口，很大程度上降低了开发和应用成本。

中国专利公开号cn102522967b公开了：一种b类lxi总线任意波形发生器电路，包括b类lxi接口模块、任意波形发生器功能模块以及led指示模块；b类lxi接口模块包括嵌入式处理器电路、ieee1588触发管理电路、flash存储电路、ddr动态存储电路以及lan接口通信电路；任意波形发生器功能模块包括总线接口电路、sdram存储器电路、fpga控制电路、时钟产生电路、dac转换电路、滤波电路、直流偏置电路、衰减电路、高低增益电路和校准电路，总线接口电路的一端与b类lxi接口模块相互连接，本发明基于lxi总线标准，提供了一种b类lxi任意波形发生器。其提供了一种带fpga控制电路的任意波形发生器，但它明确表示：它无法用在pci卡槽上，这样它就会在与电脑连通时无法紧密地结合在一起。

中国专利公开号cn103488244b公开了：一种基于复杂组合触发的波形数据可变速率回放的任意波形发生系统及方法，它提到通过pci卡槽传递信号,它包括波形数据存取单元，用于完成波形数据的缓冲和内存接口的控制；将来自pci芯片局部总线32位数据送入fpga，在fpga内部经过pci接口模块转换成256位数据总线以及25位的地址总线后分别写入数据fifo和地址fifo；在fifo的另一侧以内存控制模块输入的时钟读取写入的波形数据和地址，经过握手信号后送入内存控制模块；内存控制模块将输入的波形数据和地址按照内存条的时序写入内存条；在读模式下，由读地址产生模块产生读地址送入内存控制模块，内存控制模块经过延时后将从内存条中读取的波形数据送入到输出数据总线上，同时输出data_valid信号；read_fifo将从内存条读取的数据写入fifo；在read_fifo的另一侧，fpga以da时钟的1/16读取fifo，并将读取的256位数据送入并串转换模块，转换成16位的数据送入da进行数模转换；在fpga内部通过大量的fifo将连续的读和写转换成间歇式的读写；但它并没有与电脑紧密地安装在一起。

带有fpga开放的任意波形发生卡通过2通过pciexpressgen3fpga卡槽与电脑匹配，需要对程序进行大量的创新调整工作。

而把开放的任意波形发生卡通过电脑自身的pciexpressgen3卡槽安装在主机箱内部，在5.0gsps12bit的高速度下，通常会出现开放的任意波形发生卡自身的过热现象。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种带冷却的pciexpressgen3fpga波形发生卡,它能把开放的任意波形发生卡通过电脑自身的pciexpressgen3卡槽安装在主机箱内部，在5.0gsps12bit的高速度下，很好地解决其自身的过热现象。

本发明的技术方案是：采用fpga开发软件使用xilinxvivado2018.3，基于verilog-hdl编写用户的逻辑接口源代码，采用xilinxvirtexfpga处理器，zdwv5000提供64位windows10设备驱动程序，采用单次或多次触发回放模式产生开放的任意波形，zdwv5000通过pciexpressgen3总线连接到计算机主机,其特征在于：主板上安装有涡轮风扇。

本发明进一步的技术方案是:涡轮风扇风量为：10～40cfm，涡轮风扇的厚度为5mm～10mm。当风量过小时，如小于10cfm，达不到冷却的目的，当风量过大时，如大于40cfm，增加了能耗，同时增大的噪音。

本发明进一步的技术方案是:涡轮风扇风量为：20cfm,涡轮风扇的厚度为7.5mm。涡轮风扇的厚度为7.5mm不仅是可以装入大部分的卡槽中，而且能最有效地产生20cfm的风量。

本发明再进一步的技术方案是:涡轮风扇的出风口连接有导风管，导风管的出风口指向集成块。

本发明更进一步的技术方案是：导风管为椭圆形状。

本发明更进一步的技术方案是：导风管的出风口有2到5个分出风口，其中主主出风口的出风量为总出风量的50%。

本发明进一步的技术方案是:本发明的zdwv5000最大支持2通道同步信号产生、最高5.0gsps数据更新率；所述的zdwv5000支持12bit转换精度、最大板载2gbddr3存储器、支持外部触发输入或输出、pciex8gen3数据传输接口，连续传输率5.0gb/s、fpga支持用户自定义逻辑开发。

本发明进一步的技术方案是:模拟信号输入：zdwv5000具有2个独立的模拟信号输出通道,输入方式选择：第一个为交流耦合，采用balun耦合，第二个为单端输出，输出阻抗50ω，输出范围1vpp。

本发明进一步的技术方案是:板载信号存储器：zdwv5000板载128位宽ddr3存储器用于缓存采集数据；ddr3读写数据率为1033mhz，能为用户提供最大128gb/s的数据吞吐率，支持各种采集模式下的数据并发读写；板载内存容量：2gb，即：总共1gsample，4通道同时工作时250msample/每通道。

本发明进一步的技术方案是：zdwv5000支持多种触发模式：软件触发；通道触发，任意4个通道均能设置为触发源，触发方式有上升沿大于、下降沿小于阈值触发；阈值窗口触发；外触发，前面板上的4个通用io均能作为触发源使用，可上沿或下沿触发或各个io组合逻辑触发；任意波形发生卡的前面板有4个通用io可以使用。用户可以通过编程自定义这些io的用途；同时这些io通过软件设置，可作为输入、输出触发信号使用。

本发明与现有技术相比具有如下特点：当把任意波形发生卡安装在电脑的机箱中时，因为电脑本身有许多集成块，会产生热量，使得机箱内部温度会增加，加上任意波形发生卡上的集成块也产生热时，使得机箱温度出现过高现象，散问题就显得十分重要了。

采用涡轮风扇产生的风，风力（也就是风的压强）比较大，能更好的定点冷却，同时，涡轮风扇它的出风原理，导至其厚度可以比较小，可以满足空间要求，在狭长的地方有特别好的效果。为了更好的利用风量，在较少的出风量人情况下，达到更好的冷却效果，我们采用了对发热元件的定向冷却。涡轮风扇的出风口连接有导风管，导风管的出风口指向集成块。

综上所述：本发明能在把开放的任意波形发生卡通过电脑自身的pciexpressgen3卡槽安装在主机箱内部时，在5.0gsps12bit的高速度下，也能很好地解决其自身的过热现象。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

附图说明

附图1为本发明的系统框图；

附图2为本发明的时钟发生器；

附图3为外部数据参考输入电路；

附图4为外部数据采集时钟输入电路；

附图5为前面板io结构示意图；

附图6为任意波形发生功能以及选项示意图；

附图7为fifo回放模式结构示意图；

附图8为涡轮风扇散热结构示意图；

附图9为带导风管的涡轮风扇散热结构示意图。

具体实施方式

如附图所示：一种2通道5.0gsps12bitpciexpressgen3fpga开放的任意波形发生卡,采用fpga开发软件使用xilinxvivado2018.3，基于verilog-hdl编写用户的逻辑接口源代码，采用xilinxvirtexfpga处理器，zdwv5000提供64位windows10设备驱动程序，采用单次或多次触发回放模式产生开放的任意波形，其特征在于：zdwv5000通过pciexpress8-lane总线连接到计算机主机，每对lane支持8.0gbps（gen3）的数据传输速度。

如附图1所示：一种2通道5.0gsps12bitpciexpressgen3fpga开放的任意波形发生卡系统框图，zdwv5000支持用户自定义逻辑开发。我们提供完整的fpga逻辑工程，并提供基于verilog-hdl编写的用户逻辑接口源代码。fpga开发软件使用xilinxvivado2018.3,

当使用单次触发模式时，波形数据事先存放在板载内存中，一旦满足触发条件，dac将回放内存中的数据。一次触发回放一次数据，回放到数据尾部后自动停止。

当使用多次循环发回放模式时，回放数据存储模式和触发方式同单次触发回放模式，但用户可以设置每次触发重复播放波形的次数，1次到n次可以设置。

virtex7fpga通过pciexpress8-lane总线连接到计算机主机。每对lane支持8.0gbps（gen3）的数据传输速度。

规格：最大支持2通道同步信号产生；最高5.0gsps数据更新率；12bit转换精度；最大板载2gbddr3存储器；支持外部触发输入或输出，pciex8gen3数据传输接口，连续传输率5.0gb/s，fpga支持用户自定义逻辑开发。

软件支持：操作系统，windows1064；位开发软件visualstudio2010；驱动程序c/c++。

硬件功能以及选项：pciexpressx8总线，zdwv5000通过pciexpress8-lane总线连接到计算机主机。每对lane支持8.0gbps（gen3）的数据传输速度。

模拟信号输入：zdwv5000具有2个独立的模拟信号输出通道,输入方式选择

交流耦合，采用balun耦合。

单端输出。输出阻抗50ω，输出范围1vpp。

板载信号存储器：zdwv5000板载128位宽ddr3存储器用于缓存采集数据。ddr3读写数据率为1033mhz，能为用户提供最大128gb/s的数据吞吐率，支持各种采集模式下的数据并发读写。

板载内存容量：2gb（总共1gsample，4通道同时工作时250msample/每通道）

如图2所示：dac时钟发生器：采集时钟的随机抖动会劣化采集系统的信噪比，而且随着输出信号频率的增加，dac时钟的抖动对信噪比的影响会越来越明显。因此zdwv5000采用超低抖动时钟信号产生模块配合高稳定、低相位噪声时钟参考源来保证采集时钟的性能。

时钟发生器采用独立的屏蔽模块，支持板载参考源、外部参考时钟源以及同步接口参考时钟输入。内部dac时钟，最大速率：5000mhz，2通道采样率相同，软件可设置采样率：100m~5000mhz，1mhz分辨率，由时钟发生器直接输出。

时钟模块选项：一个选项为板载超低相噪tcxo参考源100mhz，另一个选项为板载超低相噪恒温晶体参考源100mhz。

1、板载超低相噪tcxo参考源100mhz。相位噪声-157dbc/hzat10khz；-168dbc/hzatfloor。温度稳定性：±20ppm0℃到70℃。

2、板载超低相噪恒温晶体参考源100mhz。相位噪声-168dbc/hzat10khz；-180dbc/hzatfloor。温度稳定性：±0.05ppm0℃到70℃。

如图3所示：外参考输入，采通用输入输出接口

如图4所示：外采集时钟输入，采用通用输入输出接口。通道数：2ch；接口：smafemale；输入阻抗：50ω±2%，耦合方式:ac,交流耦合;输出量程（fsr）,1vpp。

通用输入输出接口：io数量，4个，通过软件可设置输入或输出，同外触发共用；io连接器：mmcxmale，每个通道相同的预触发长度设置；io输入输出电平：3.3vlvttl兼容；io传输速率，最大200mbps；io输出驱动能力：最大50ma。

如图5所示：前面板io，前面板有4个通用io可以使用。用户可以通过编程自定义这些io的用途；同时这些io通过软件设置，可作为输入、输出触发信号使用。

如图6所示：任意波形发生功能以及选项：可采用单次触发回放模式以及多次循环发回放模式。

单次触发回放模式：当使用单次触发模式时，波形数据事先存放在板载内存中，一旦满足触发条件，dac将回放内存中的数据。一次触发回放一次数据，回放到数据尾部后自动停止。

多次循环发回放模式：回放数据存储模式和触发方式同单次触发回放模式，但用户可以设置每次触发重复播放波形的次数，1次到n次可以设置。

如图7所示：fifo回放模式，该功能将板载内存虚拟为一个大容量fifo，由该fifo缓冲后，dac能连续不断的接收pciexpress总线传输来的数据。回放的数据文件可以预先存储在主机内存或硬盘中。在fifo模式下，系统会预先设置fifo容量和实时监测fifo状态，并自动启动pciexpressdma操作，进行数据搬运工作。fifo模式工作后，其回放数据长度容许无限长，限制条件为主机的内存容量或硬盘容量。

分辨率：12bit；数据内存：2gb（总共）；时间戳，48bit采集计数器；回放模式，单次触发，多次循环，fifo模式；

触发模式：zdwv5000支持多种触发模式：软件触发、通道触发，任意4个通道均能设置为触发源，触发方式有上升沿大于、下降沿小于阈值触发；阈值窗口触发。外触发，前面板上的4个通用io均能作为触发源使用，可上沿或下沿触发或各个io组合逻辑触发。内部、外部触发精度：±1时钟周期；外触发输入电平：3.3vlvttl兼容；外触发输入最小宽度：≥4倍dac时钟周期；外触发输出电平：3.3vlvttl兼容。

开放的fpgajtag调试接口。用户可以使用xilinxusb-jtag电缆和vivado软件进行逻辑在线调试。

如附图8所示：散热方式：本发明采用涡轮风扇散热，在板卡尾部安装专用涡轮风扇结构。风量：~20cfm安装后整体尺寸：标准pcie110*312mm全长卡尺寸，单槽宽度。适用于支持全长卡尺寸机箱空间或zdwv5000左右没有空余槽位的安装环境，工作温度：0℃到50℃；存储温度：-10℃到70℃；湿度：10%到90%。

经过返复实验，我们得出，所述的涡轮风扇风量为：10～40cfm。涡轮风扇的厚度为5mm～10mm。当风量少于10cfm时，如8cfm时在夏天就会频繁出现因发热而产生的机器自动休眠状态，在环境温度为20℃的时候，也会偶尔出因发热而产生的机器自动休眠状态，这种情况对实用性就大打折扣了。当风量大于40cfm时，因耗电量太大而加重了电源的供电负担，同时，增加了较大的噪音成分。

本发明的最终产品中，有一款的涡轮风扇风量为：20cfm,涡轮风扇的厚度为7.5mm。这是一个比较理想的数字。

如附图9所示：为了更好的利用风量，在少一些的出风量情况下，为了达到更好的冷却效果，我们采用了对发热元件的定向冷却。涡轮风扇1的出风口连接有导风管2，导风管2的出口固定在导风管支架3上，同时导风管2的出口指向发热元件（包括集成块，也可以是电阻或电容），导风管的出风口指向集成块。因为导风管多为软管，为了固定导风管，使导风管不在搬运或移动的过程中偏移，所以，需要一个导风管支架，为了针对不同的机箱型号，所以，导风管支架为可转动的支杆。

导风管2为椭圆形状，在扁平的空间里，椭圆形状的导风管，可以实现更不占有有用空的目的。

当有多个发热较大的集成块时，我们分别对具体的集成块，跟据它的发热量来分配风量，能最大效果的冷却发热件。导风管的出风口有2到5个分出风口，其中主主出风口的出风量为总出风量的50%。

相对于涡轮风扇，轴流风扇风量需要风量更大一点。相对于同样的风量，轴流风扇在同样的输入电压下，需要的电流要小许多。但是，涡轮风扇本身的稳定性要高于轴流风扇，当然，同款产品，涡轮风扇的价格也要高于轴流风扇，所以，在电脑主机厢的空间不充许的情况下，我们多半采用涡轮风扇。

本发明的工作原理和使用方法是：一种2通道5.0gsps12bitpciexpressgen3fpga开放的任意波形发生卡,采用fpga开发软件使用xilinxvivado2018.3，基于verilog-hdl编写用户的逻辑接口源代码，采用xilinxvirtexfpga处理器，zdwv5000提供64位windows10设备驱动程序，采用单次或多次触发回放模式产生开放的任意波形，其特征在于：zdwv5000通过pciexpress8-lane总线连接到计算机主机，每对lane支持8.0gbps（gen3）的数据传输速度。

采用virtex7fpga数据中心，virtex7fpga通过8个ddr3内存条，进行数据存储，virtex7fpga连接二个dac,即数字模拟转换器，二个dac分别连接afe,afe即模拟前端:a/d转换前的模拟电路部分，与外部触发信号相连接。

当把任意波形发生卡单独自身放在一个仪表箱时，它产生的热量不会对自身产生太的过热反应，但当把它安装在电脑的机箱中时，因为电脑本身有许多集成块，会产生热量，使得机箱内部温度会增加，加上任意波形发生卡好的集成块也产生热时，使机箱温度出现过高现象，散问题就显得十分重要了。

采用涡轮风扇产生的风，风力（也就是风的压强）比较大，能更好的定点冷却，同时，涡轮风扇它的出风原理，导至其厚度可以比较小，可以满足空间要求，在狭长的地方有特别好的效果。为了更好的利用风量，在较少的出风量人情况下，达到更好的冷却效果，我们采用了对发热元件的定向冷却。涡轮风扇的出风口连接有导风管，导风管的出风口指向集成块，通过以上方法，我们实现了把开放的任意波形发生卡通过电脑自身的pciexpressgen3卡槽安装在主机箱内部，在5.0gsps12bit的高速度下，很好地解决其自身的过热现象。