基于FPGA和USB接口的高速高精度通用數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

萬軍華, 張國(guó)云, 羅榮輝, 王志偉, 劉立軍, 何彪勝

(湖南理工學(xué)院 信息與通訊工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

基于FPGA和USB接口的高速高精度通用數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

萬軍華, 張國(guó)云, 羅榮輝, 王志偉, 劉立軍, 何彪勝

(湖南理工學(xué)院 信息與通訊工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

討論了一類基于FPGA和USB接口的高速高精度通用數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)方法, 該方法充分發(fā)揮了FPGA和USB的優(yōu)點(diǎn), 解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的缺陷.

FPGA; USB接口; 通用數(shù)據(jù)采集卡; 信號(hào)調(diào)理

Abstract:The paper studies the method about design of universal data acquisition card of high speed and accuracy based on FPGA and USB interface. The method exerts virtues of FPGA and USB, and it resolves limitation of traditional data acquisition card.

Key words:FPGA; USB interface; universal data acquisition card; signal modulate

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的發(fā)展, 對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理越來越頻繁, 而進(jìn)行數(shù)字處理的先決條件是將所研究的對(duì)象數(shù)字化, 因此數(shù)據(jù)采集日益得到重視, 對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求日益提高. 實(shí)際上, 在瞬態(tài)信號(hào)測(cè)量、圖像信號(hào)處理等一些高速、高精度的測(cè)量中, 都迫切需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集; 在圖像信號(hào)處理、瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)、工業(yè)過程檢測(cè)和監(jiān)控等領(lǐng)域, 更是要求高速度、高精度、高實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)采集.

現(xiàn)在通用的高速數(shù)據(jù)采集卡一般多是PCI卡、ISA卡和USB卡, 其中PCI卡和ISA卡存在以下缺點(diǎn):安裝麻煩、價(jià)格昂貴; 受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制, 可擴(kuò)展性差; 在一些電磁干擾性強(qiáng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng), 無法專門對(duì)其做電磁屏蔽, 導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真. 目前市場(chǎng)上采樣頻率在10～20ms/s的USB接口卡非常少, 且基本上都存在著通用性不強(qiáng)、不帶計(jì)數(shù)器電路、I/O數(shù)量少、精度不高等缺點(diǎn). 早期數(shù)據(jù)采集卡多數(shù)是基于CPLD設(shè)計(jì)的, 這種情況下數(shù)據(jù)的采樣速度和采樣精度都不是很高. 而基于FPGA設(shè)計(jì),可以較大地提高數(shù)據(jù)的采樣速度和精度.

基于以上原因, 本文討論了一類基于FPGA和USB接口的高速高精度通用數(shù)據(jù)采集卡的研制方法,該方法充分發(fā)揮了FPGA和USB的優(yōu)點(diǎn), 解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的缺陷, 彌補(bǔ)了當(dāng)前市場(chǎng)上該類產(chǎn)品的不足.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理模塊、14位A／D轉(zhuǎn)換器ADS805模塊、基于FPGA的主控模塊、USB收發(fā)控制模塊、片外存儲(chǔ)器及其他輔助電路組成, 其數(shù)據(jù)的采樣率可高達(dá)20 Msps; 適用于較高速動(dòng)態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)記錄和采集, 其硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

調(diào)理電路與A／D數(shù)字信號(hào). 處理后的數(shù)據(jù)送往FPGA主控模塊, 根據(jù)相關(guān)的控制信息, 通過選擇先存儲(chǔ)在外部SRAM, 然后經(jīng)過相關(guān)的數(shù)字處理后再傳輸給上位機(jī).轉(zhuǎn)換器, 將傳感器采集的模擬信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的信號(hào)調(diào)理后送入ADS805芯片轉(zhuǎn)換為

圖1 硬件總體框架圖

2 系統(tǒng)模塊介紹

3 軟件設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

設(shè)置欄可以修改采樣深度、采樣速率以及觸發(fā)方式.

1. 采樣率有1KHz、10KHz、100KHz、1MHz、10MHz 5個(gè)下拉選項(xiàng);

2. 采樣深度的最大深度為8191(8k);

3. 觸發(fā)方式有立即觸發(fā)(單擊采樣即開始觸發(fā)采樣)、內(nèi)觸發(fā)(有信號(hào)才觸發(fā)采樣)、外觸發(fā)(外部觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)采樣).

設(shè)置好參數(shù)后, 單擊采樣, 如果是立即觸發(fā)模式, 即啟動(dòng)采樣, 完畢后有提示信息彈出; 如果是內(nèi)觸發(fā)模式, 等到有信號(hào)輸入時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)采樣, 完畢后有提示信息彈出;如果是外觸發(fā)模式, 等到有外部觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)啟動(dòng)采樣, 完畢后有提示信息彈出。

以上啟動(dòng)采樣后均可在途中強(qiáng)制停止.

接收數(shù)據(jù)后, 信號(hào)波形會(huì)在窗口中顯示. 鼠標(biāo)放在波形窗口中的對(duì)應(yīng)位置, 提示信息欄讀出當(dāng)前信號(hào)的幅度和相對(duì)時(shí)間.

保存欄可以以文本保存當(dāng)前數(shù)據(jù), 如果以文本打開, 顯示為亂碼.

打開欄可以打開顯示歷史保存數(shù)據(jù)記錄.

設(shè)計(jì)的硬件實(shí)物圖如圖4所示.

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件界面

圖4 最終實(shí)物圖

4 學(xué)術(shù)價(jià)值及意義

隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用, 社會(huì)的數(shù)字化程度越來越高, 數(shù)據(jù)采集也越來越重要, 本系統(tǒng)是一種通用的高速數(shù)據(jù)采集卡, 可用于生物電波、電子學(xué)頻譜、聲波分析等瞬態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和觀察等場(chǎng)合. 其中基于 FPGA技術(shù)和USB接口技術(shù)的融合, 具有可靠性高、數(shù)據(jù)不丟失、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn). 同時(shí), 可以大大提高系統(tǒng)處理的速度, 增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性, 使得數(shù)據(jù)處理能力得到了極大的提高, 可完全勝任大容量、高精度數(shù)據(jù)的高速傳輸, 具有良好的應(yīng)用前景和很大的實(shí)用價(jià)值.

[1] 楊 波, 劉延波. 具有USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2004

[2] HYD J. USB設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例[M]. 孫耀成, 譯. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2003

[3] 龍華偉, 顧偉剛．LabVIEW 8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2008

Design of Universal Data Acquisition Card of High Speed and Accuracy Based on FPGA and USB Interface

WAN Jun-hua, ZHANG Guo-yun, LUO Rong-hui, WANG Zhi-wei, LIU Li-jun, HE Biao-sheng
(College of Information & Communication Engineering, Hunan Institute of Technology, Yueyang 414006, China)

TP274

A

1672-5298(2010)01-0045-04

2009-10-18

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目

萬軍華(1969- ), 男, 湖南岳陽人, 湖南理工學(xué)院信息與通訊工程學(xué)院副教授. 主要研究方向: 工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)