基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

張 博，段哲民

（西北工業(yè)大學 電子信息學院，陜西 西安 710072）

常用的數(shù)據(jù)采集方案[1]往往采用單片機或DSP（數(shù)字信號處理器）[2]作為控制器，控制ADC（模數(shù)轉換器）、存儲器和其他外圍電路的工作。但由于單片機本身的指令周期以及處理速度的影響，難以達到多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，DSP雖然可以實現(xiàn)較高速的數(shù)據(jù)采集，但其速度提高的同時，也提高了系統(tǒng)的成本；并且單片機和DSP的各種功能要靠軟件的運行來實現(xiàn)，執(zhí)行的速度和效率較低，軟件運行時間在整個采樣時間中占很大的比例。而FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）在高速數(shù)據(jù)采集方面有單片機和DSP無法比擬的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA具有時鐘頻率高，內部延時小，全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高，組成形式靈活等特點。因此，本文以FPGA作為核心處理器件，進行了數(shù)據(jù)采集的過程。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理

圖1是一個模擬信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖。

由圖可知，系統(tǒng)主要由以下5個部分組成：

圖1 模擬信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖Fig.1 Structure diagram of the analog signal data acquisition system

第1部分是放大器電路。程控放大器的作用是將傳感器產生微弱的模擬信號進行放大處理。放大器把信號放大到與A/D轉換器滿量程電壓相應的電平值，以便充分利用A/D轉換器的分辨率，放大器的放大倍數(shù)可以通過設計放大電路來進行實時控制[3]。

第2部分是A/D模數(shù)轉換電路。其功能是將放大后的模擬信號轉換為計算機能夠識別的數(shù)字信號。A/D轉換器是采樣通道的核心，所以A/D轉換器是影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣速率和精度的主要因素之一。

第3部分是數(shù)據(jù)緩存電路。A/D轉換后的數(shù)據(jù)信息一般不能直接傳送到計算機，所以在讀入計算機或其他處理設備之前應該增加數(shù)據(jù)緩存模塊，這樣能有利于將數(shù)據(jù)連續(xù)的送入計算機。

第4部分是時序邏輯控制電路。它可以控制程控放大器、A/D模數(shù)轉換器、數(shù)據(jù)緩存等單元，并實現(xiàn)與計算機的通信。

第5部分是接口電路。接口電路是數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸至計算機等設備的紐帶[4]。

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)主要研究對模擬信號的數(shù)據(jù)采集，根據(jù)系統(tǒng)的要求與功能的實現(xiàn)，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體方案設計結構框圖如圖2所示。

圖2 總體硬件框圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

在模擬信號采集的過程中，模擬信號輸入給A/D轉換器，然后經(jīng)模數(shù)轉換之后將8bit的數(shù)字信號直接輸出給FPGA進行處理。在FPGA中設計了數(shù)據(jù)緩沖器FIFO和數(shù)據(jù)存儲器RAM以及和各級電路對應的的時鐘信號，以保證能夠實時的將ADC轉換過來的數(shù)據(jù)進行處理。其中，液晶屏可用于顯示被采集的波形，串口通信用于FPGA的在線調試與配置程序的加載，鍵盤用于控制操作[5]。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

根據(jù)本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集精度以及速度方面的要求，采用Texas Instruments改進快閃技術的先進的LinCMOS高速8位A/D轉換芯片TLC0820AC來完成采集過程。它由2個4位快閃轉換器，一個4位數(shù)模轉換器，一個加法（誤差）放大器，控制邏輯及一個結果鎖定電路構成。改進的快閃技術可使低功率集成電路在整個溫度范圍內（0～70℃）以1.18 μs（轉換率＞1 M）完成8位轉換。該芯片內部采樣和保持電路具有100 ns采樣窗，允許這些器件以高達100 mV/μs的斜升速率轉換連續(xù)模擬信號而無須外部采樣器件。TTL兼容的3態(tài)輸出驅動器及兩種工作方式允許與不同微處理器接口[6]。單一5 V電源，無須外部時鐘或振蕩器，最大功耗75 mV，兩種工作方式可選。具有差分基準輸入，數(shù)據(jù)轉化及存取時間為2.5個時鐘周期（MCU晶振選用12 M），最高采樣率20 M。其工作方式連接圖如圖3所示。

圖3 ADC電路設計Fig.3 ADC circuit design

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

FPGA在高速數(shù)據(jù)采集處理方面有單片機和DSP無法比擬的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA具有時鐘頻率高，內部延時小，全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高，組成形式靈活等特點。因此我們選擇使用FPGA來進行數(shù)據(jù)的處理與控制。市場上FPGA的型號與類型非常多，根據(jù)本系統(tǒng)的要求，我們這里選擇Xilinx公司生產的Spartan-3系列XC3S400型號的芯片[7]。Spartan-3系列是基于Virtex-II FPGA構架，采用90 nm技術，8層金屬工藝，系統(tǒng)門數(shù)超過500萬，內嵌了硬核乘法器和數(shù)字時鐘管理模塊。從結構上看，Spartan-3系列將邏輯、存儲器、數(shù)學運算、數(shù)字處理器、I/O以及系統(tǒng)管理資源完美地集合在一起，使之有更高層次、更廣泛的應用[8]。其主要特性為：采用90 nm工藝，密度高達74880邏輯單元；最高系統(tǒng)時鐘為 340 MHz；具有 18×18的專用乘法器；核電壓為 1.2 V，端口電壓為3.3 V、2.5 V、1.2 V，支持24種I/O標準；高達520 kB的分布式RAM和18 972 kB的塊RAM；有片上時鐘管理模塊（DCM）；具有嵌入式XtremeDSP功能，每秒可執(zhí)行3 300億次乘加。

2.3 輸出模塊

輸出模塊主要負責利用液晶顯示器顯示采集到的數(shù)據(jù)以便進入后續(xù)的處理，因此，需要連接有顯示模塊。液晶顯示屏常常采用12864，本系統(tǒng)選用了HS12864_15系列中文圖形液晶模塊，文字圖形可混合顯示且?guī)в凶謳?，其特征主要由其控制器ST7920決定，ST7920同時作為控制器和驅動器，它可提供33路com輸出和64路seg輸出。在驅動器ST7921的配合下，最多可以驅動256×32點陣液晶。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 總體方案設計

FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件總體方案設計流程圖如圖4所示。當FPGA、ADC以及12864顯示器初始化完畢之后，判斷是否有模擬信號輸入到ADC器件中，如果沒有，則等待信號的輸入；如果有，則ADC開始采集數(shù)據(jù)并轉換。轉換完成之后，送到FPGA芯片進行數(shù)據(jù)處理。然后，傳送到12864顯示器中進行波形的顯示。最后，再次判斷有無信號輸入到ADC中，如果有，則繼續(xù)進行下次的采集流程；如果沒有，則結束程序。

3.2 FIFO緩存設計

由于A/D轉換器、FPGA以及12864顯示器之間處理數(shù)據(jù)的速度不同，為了消除不必要的數(shù)據(jù)丟失與毛刺現(xiàn)象或者重復讀取，可以將處理后的數(shù)據(jù)暫時存入FIFO中。FIFO是一個先入先出的堆棧，利用FPGA內部強大的寄存器功能，設計了一個FIFO的數(shù)據(jù)緩沖器。

如圖5所示，A/D轉換器將轉換好的數(shù)據(jù)存入FIFO緩存中，F(xiàn)PGA檢測顯示器12864有無讀信號，如果有讀信號，則FIFO輸出信號給顯示器；如果沒有，則數(shù)據(jù)繼續(xù)存儲在FIFO中，等待被取走。

圖4 總體方案設計流程圖Fig.4 Flow chart of the software design

圖5 FIFO緩存設計流程圖Fig.5 Flow chart of the FIFO cache design

4 結束語

基于FPGA在高速數(shù)據(jù)采集方面有單片機和DSP無法比擬的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA具有時鐘頻率高，內部延時小，全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高，組成形式靈活等特點。因此，本文研究并開發(fā)了一個基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文中所提出的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計方案，就是利用FPGA作為整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心來對系統(tǒng)時序和各邏輯模塊進行控制。依靠FPGA強大的功能基礎，以FPGA作為橋梁合理的連接了ADC、顯示器件以及其他外圍電路，最終實現(xiàn)了課題的要求，達到了數(shù)據(jù)采集的目的。

[1]孫航.Xilinx可編程邏輯器件的高級應用與設計技巧[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]楊頌華，孫萬蓉，馮毛官，等.數(shù)字電子技術基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2000.

[3]史林，趙樹杰.數(shù)字信號處理[M].北京：科學出版社，2007.

[4]黃志強.Xilinx可編程邏輯器件的應用與設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[5]杜慧敏，李宥謀，趙全良.基于Verilog的FPGA設計基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[6]張義，陳敵北，周金圣.例說Protel 2004[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[7]褚振勇，齊亮，田紅心，等.FPGA設計及應用[M].2版.西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[8]Wayne W.基于FPGA的系統(tǒng)設計[M].英文版.北京：機械工業(yè)出版社，2005.