基于FPGA的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

司兆龍+張亞君

摘 要：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是現(xiàn)代檢測控制技術(shù)的關(guān)鍵，是模擬域與數(shù)字域之間的紐帶，廣泛應(yīng)用于諸如軍事、工業(yè)控制、深海測量等各領(lǐng)域，目前常用的是專用數(shù)據(jù)采集卡。相比較專用采集卡，基于FPGA設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有多功能、高效率、易升級、低功耗等優(yōu)點。實驗結(jié)果顯示，本系統(tǒng)可以采集的電壓值變化范圍為0～5 V，精確度能達到0.02 V。系統(tǒng)顯示可以實現(xiàn)單通道顯示與多通道巡檢顯示切換。

關(guān)鍵詞：可編程邏輯;數(shù)據(jù)采集;硬件語言;模數(shù)轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TP391.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2015）01-00-03

0 ?引 ?言

隨著電子工業(yè)技術(shù)迅速發(fā)展，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的許多技術(shù)指標(biāo)，如采樣率、通道數(shù)、數(shù)據(jù)處理速度等提出了很高的要求[1，2]?？焖俑呔韧瓿啥嗦沸盘柕牟杉詽M足工業(yè)現(xiàn)場的控制和檢測要求，一直是數(shù)據(jù)采集技術(shù)重要的研究方向[3-5]。本次設(shè)計研究多路電壓數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)方法，設(shè)計一個多路電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并分析提高數(shù)據(jù)采集速度和精度的因素。

1 ?系統(tǒng)實現(xiàn)

1.1 ?系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)主控器能對10米內(nèi)的8路電壓數(shù)據(jù)進行采集并顯示。主要包括：測試用電壓源設(shè)計。數(shù)據(jù)采集器第1，2路輸入1～5 V可調(diào)直流電壓，第2～7路分別輸入5 V，4 V，3 V，2 V，1 V，0 V直流電壓（用于參照實驗）。主控器：主控器通過串行傳輸線路對各路數(shù)據(jù)進行采集和顯示。采集方式包括循環(huán)采集（即1路、2路、……、8路、1路……）和選擇采集（任選一路）兩種方式;循環(huán)采集間隔1 s;系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 ?系統(tǒng)原理框圖

1.2 ?直流穩(wěn)壓電源

根據(jù)系統(tǒng)要求，需提供+12 V、-12 V、+5 V的電壓。因此采用了濾波電容、防自激電容及固定式三端穩(wěn)壓器LM7912、LM7905、LM7812等器件設(shè)計了精度較高、穩(wěn)定度較好的直流電壓穩(wěn)壓電源。

1.3 ?A/D轉(zhuǎn)換器

本設(shè)計選用的是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。其最大輸入電壓5 V，對0～5 V的采集精度為5/255=0.02 V;所以整個系統(tǒng)的精度也為0.02 V。A/D決定了本設(shè)計所測電壓范圍為0～5 V，如果擴展量程范圍，可在其輸入電路中添加乘法器使大電壓降低至可控范圍。

1.4 ?通信電路

本系統(tǒng)所用雙絞線采取了雙向傳輸、多路復(fù)用的方法。即地址同步脈沖與數(shù)據(jù)同步脈沖共用一根同步脈沖線，地址與數(shù)據(jù)共用一根數(shù)據(jù)線。接口電路采用RS 485標(biāo)準(zhǔn)接口。

1.5 ?數(shù)據(jù)采集塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集塊（從機）FPGA控制ADC0809芯片工作，將采集到的八路模擬電壓信號串行碼送入傳輸線路。頂層Block原理圖構(gòu)建如下（圖2）。具體每個模塊用VHDL代碼在Quartus II 9.1實現(xiàn)。

圖2 ?數(shù)據(jù)采集塊頂層Block原理圖

aaa模塊用于ADC0809的控制，其輸入輸出I/O口分別對應(yīng)接ADC0809的CLK， START，EOC，IN[7..0]接din[7..0]。其中時鐘clk輸入為65 kHz。ADC0809控制模塊如圖3所示。

cb模塊用于實現(xiàn)二進制數(shù)字信號變串行碼輸出。其中輸出端口d輸出串行數(shù)據(jù);sign為數(shù)據(jù)并串輸出標(biāo)志;din[2..0]為選擇通道的地址輸入;cin[7..0]為輸入的二進制數(shù)字信號;clk輸入2 Hz 。cb模塊如圖4所示。

圖3 ?ADC0809控制模塊

圖4 ?二進制數(shù)字信號變串行碼輸出模塊

aaa和cb模塊的工作時鐘65 kHz和2 Hz;分別用分頻模塊clk_a和clk_b對主時鐘50 MHz分頻獲得。

1.6 ?主控器設(shè)計

主控器（主機）對采集到的各路數(shù)據(jù)進行采集和顯示。采集包括循環(huán)采集（即1路、2路、……、8路、1路……）和選擇采集（任意一路）。主控器頂層Block原理圖如圖5。具體每個模塊用VHDL代碼在Quartus II 9.1實現(xiàn)。

keyboard模塊為鍵盤掃描模塊。其功能是：按9號鍵循環(huán)顯示各路數(shù)據(jù)和通道號;按1-8號任意一個鍵顯示任意一路通道號和電壓數(shù)據(jù)。key_hang[3..0]接矩陣鍵盤行線;FPGA控制循環(huán)輸出行信號“1110”、“1101”、“1011”、“0111”。當(dāng)沒有鍵按下時，key_lie[3..0]列信號輸入端檢測到的是“1111”。當(dāng)有鍵按下時，例如按下1鍵，此時key_hang[3..0]行信號輸出為“0111”。行列信號相并“key_hang&key_lie”為“01110111”時，可以譯鍵值為1。同理可以得到其它按鍵的編碼。不同編碼，譯成不同鍵值。為了防止按鍵抖動，加一個計數(shù)環(huán)節(jié)防止了鍵的抖動。鍵盤掃描模塊如圖6所示。

control模塊為顯示控制模塊，其程序主導(dǎo)思想是：當(dāng)鍵盤值為9的時候，循環(huán)輸出選擇通道號和各通道對應(yīng)電壓數(shù)據(jù)。當(dāng)鍵盤值是1～8任意值時，單通道數(shù)據(jù)采集顯示。d_in[15..0]接鍵盤數(shù)據(jù)輸入;d_out[2..0]為選擇通道數(shù)據(jù)輸出;key[3..0]為鍵盤值數(shù)據(jù)輸出。時鐘輸入clk為1 Hz。如圖7所示。

mchuan_to_bing模塊程序的主導(dǎo)思想是將串行數(shù)據(jù)變成并行數(shù)據(jù)輸出。par_out[10..0]輸出通道地址+通道數(shù)據(jù);ser_in通道數(shù)據(jù)串行輸入; a為信號標(biāo)志;時鐘clk為2 Hz。如圖8所示。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊bin_to_dec的程序主導(dǎo)思想是：將采集的各通道數(shù)據(jù)存儲下來，根據(jù)鍵盤所選擇的通道選擇對應(yīng)通道的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成與模擬電壓對應(yīng)的二進制數(shù)據(jù)。c_in為通道+數(shù)據(jù)輸入;d_in為鍵盤選擇的通道數(shù)據(jù)輸入;key_in為鍵盤值的數(shù)據(jù)輸入;key_out，c_out4，c_out3，c_out2，c_out1為鍵值和數(shù)據(jù)顯示輸出。如圖9所示。

disp模塊為顯示控制塊：key_in[3..0]接鍵盤數(shù)據(jù);disp[4..0]為數(shù)碼管掃描輸出，接4位數(shù)碼管位選線;disp_out為數(shù)碼管數(shù)據(jù)，接數(shù)碼管段選線。如圖10所示。

圖6 ?鍵盤掃描模塊

圖7 ?顯示控制模塊

圖8 ?串并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

圖9 ?數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

圖10 ?顯示控制塊

2 ?實驗結(jié)果

實際測試數(shù)據(jù)列表如表1～表4所示。

表1 ?一通道1.00 V電壓采集結(jié)果被測電壓/V 測得電壓/V 被測電壓/V 測得電壓/V

1.00 1.03 1.00 1.01

1.00 1.02 1.00 1.04

1.00 1.01 1.00 1.01

1.00 1.02 1.00 1.02

1.00 1.02 1.00 1.04

表1為通道一測試1.00 V電壓數(shù)據(jù)，20次實測電壓平均值為1.022 V，約等于1.02 V。

表2 ?一通道3.00 V電壓采集結(jié)果

被測電壓/V 測得電壓/V 被測電壓/V 測得電壓/V

3.00 3.03 3.00 3.01

3.00 3.02 3.00 3.04

3.00 3.01 3.00 3.03

3.00 3.03 3.00 3.03

3.00 3.02 3.00 3.04

表2為通道一測試3.00 V電壓數(shù)據(jù)，20次實測電壓平均值為3.026 V，約等于3.03 V。

表3 ?四通道任意電壓數(shù)據(jù)采集結(jié)果

被測電壓/V 測得電壓/V 被測電壓/V 測得電壓/V

1.01 1.01 3.53 3.54

1.50 1.51 4.01 4.03

2.12 2.13 4.23 4.24

2.54 2.55 4.54 4.55

3.01 3.03 5.00 5.00

表3為通道四測0～5 V任意電壓數(shù)據(jù)的測試結(jié)果。

表4 ?一到八通道數(shù)據(jù)采集結(jié)果表

通道號 被測電壓/V 測得電壓/V

1 0.00 0.01

2 0.53 0.54

3 1.00 1.01

4 2.32 2.34

5 3.13 3.14

6 4.02 4.03

7 4.50 4.51

8 5.00 5.00

由測試結(jié)果知本系統(tǒng)能達到設(shè)計要求，精度較高能精確到0.02 V。

3 ?結(jié) ?語

由于本系統(tǒng)A/D使用ADC0809，其最大輸入電壓5 V，故系統(tǒng)采集電壓0～5 V;A/D采集精度為5/255=0.02 V，實測系統(tǒng)精度也為0.02 V。如果想擴展量程范圍?？稍诓杉鬏斎腚娐分刑砑咏祲弘娐肥勾箅妷航档椭量煽氐姆秶?系統(tǒng)實際工作時穩(wěn)定性較好，能夠通過按鍵隨意選擇單路采集和循環(huán)采集。

參考文獻

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