基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各種數(shù)據(jù)的采集和處理在現(xiàn)代工業(yè)控制和科學(xué)研究中已成為必不可少的部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)智能儀器與外界物理世界聯(lián)系的橋粱，是獲取信息的重要途徑。以Xilinx公司的Spartan-3系列FPGA芯片XC3S400為核心，采用TI公司的TLC0820型號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換器作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并用Verilog HDL語言作為描述語言實(shí)現(xiàn)了對(duì)TLC0820的采樣控制和FPGA的數(shù)據(jù)處理等過程的控制，以Xilinx ISE9．1i軟件為平臺(tái)，進(jìn)行了設(shè)計(jì)輸入、分析與綜合、仿真與驗(yàn)證等過程仿真實(shí)現(xiàn)了這一系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；FPGA；模數(shù)轉(zhuǎn)換；vetilog HDL

    常用的數(shù)據(jù)采集方案往往采用單片機(jī)或DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)作為控制器，控制ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、存儲(chǔ)器和其他外圍電路的工作。但由于單片機(jī)本身的指令周期以及處理速度的影響，難以達(dá)到多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，DSP雖然可以實(shí)現(xiàn)較高速的數(shù)據(jù)采集，但其速度提高的同時(shí)，也提高了系統(tǒng)的成本；并且單片機(jī)和DSP的各種功能要靠軟件的運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行的速度和效率較低，軟件運(yùn)行時(shí)間在整個(gè)采樣時(shí)間中占很大的比例。而FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)在高速數(shù)據(jù)采集方面有單片機(jī)和DSP無法比擬的優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)PGA具有時(shí)鐘頻率高，內(nèi)部延時(shí)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(diǎn)。因此，本文以FPGA作為核心處理器件，進(jìn)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(gè)模擬信號(hào)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(gè)部分組成：
    第1部分是放大器電路。程控放大器的作用是將傳感器產(chǎn)生微弱的模擬信號(hào)進(jìn)行放大處理。放大器把信號(hào)放大到與A／D轉(zhuǎn)換器滿量程電壓相應(yīng)的電平值，以便充分利用A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率，放大器的放大倍數(shù)可以通過設(shè)計(jì)放大電路來進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
    第2部分是A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。其功能是將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。A／D轉(zhuǎn)換器是采樣通道的核心，所以A／D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信息一般不能直接傳送到計(jì)算機(jī)，所以在讀入計(jì)算機(jī)或其他處理設(shè)備之前應(yīng)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)的送人計(jì)算機(jī)。
    第4部分是時(shí)序邏輯控制電路。它可以控制程控放大器、A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)緩存等單元，并實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)等設(shè)備的紐帶。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要研究對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，根據(jù)系統(tǒng)的要求與功能的實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    在模擬信號(hào)采集的過程中，模擬信號(hào)輸入給A／D轉(zhuǎn)換器，然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換之后將8bit的數(shù)字信號(hào)直接輸出給FPGA進(jìn)行處理。在FPGA中設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)緩沖器FIFO和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM以及和各級(jí)電路對(duì)應(yīng)的的時(shí)鐘信號(hào)，以保證能夠?qū)崟r(shí)的將ADC轉(zhuǎn)換過來的數(shù)據(jù)進(jìn)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(diào)試與配置程序的加載，鍵盤用于控制操作。
2．1 數(shù)據(jù)采集模塊
    根據(jù)本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集精度以及速度方面的要求，采用Texas Instruments改進(jìn)快閃技術(shù)的先進(jìn)的LinCMOS高速8位A／D轉(zhuǎn)換芯片TLC082 0AC來完成采集過程。它由2個(gè)4位快閃轉(zhuǎn)換器，一個(gè)4位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，一個(gè)加法(誤差)放大器，控制邏輯及一個(gè)結(jié)果鎖定電路構(gòu)成。改進(jìn)的快閃技術(shù)可使低功率集成電路在整個(gè)溫度范圍內(nèi)(0～70℃)以1．18 μs(轉(zhuǎn)換率>1 M)完成8位轉(zhuǎn)換。該芯片內(nèi)部采樣和保持電路具有100 ns采樣窗，允許這些器件以高達(dá)100 mV／μs的斜升速率轉(zhuǎn)換連續(xù)模擬信號(hào)而無須外部采樣器件。TTL兼容的3態(tài)輸出驅(qū)動(dòng)器及兩種工作方式允許與不同微處理器接口。單-5 V電源，無須外部時(shí)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(zhǔn)輸入，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化及存取時(shí)間為2．5個(gè)時(shí)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。

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(jī)和DSP無法比擬的優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)PGA具有時(shí)鐘頻率高，內(nèi)部延時(shí)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(diǎn)。因此我們選擇使用FPGA來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與控制。市場(chǎng)上FPGA的型號(hào)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(chǎn)的Spartan-3系列XC3S400型號(hào)的芯片。Spartan-3系列是基于Virtex-II FPGA構(gòu)架，采用90 nm技術(shù)，8層金屬工藝，系統(tǒng)門數(shù)超過500萬，內(nèi)嵌了硬核乘法器和數(shù)字時(shí)鐘管理模塊。從結(jié)構(gòu)上看，Spartan-3系列將邏輯、存儲(chǔ)器、數(shù)學(xué)運(yùn)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(yīng)用。其主要特性為：采用90 nm工藝，密度高達(dá)74880邏輯單元；最高系統(tǒng)時(shí)鐘為340 MHz；具有18x18的專用乘法器；核電壓為1．2V，端口電壓為3．3 V、2．5 V、1．2 V，支持24種I／O標(biāo)準(zhǔn)；高達(dá)520 kB的分布式RAM和18 972 kB的塊RAM；有片上時(shí)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(fù)責(zé)利用液晶顯示器顯示采集到的數(shù)據(jù)以便進(jìn)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?kù)，其特征主要由其控制器ST7920決定，ST7920同時(shí)作為控制器和驅(qū)動(dòng)器，它可提供33路com輸出和64路seg輸出。在驅(qū)動(dòng)器ST7921的配合下，最多可以驅(qū)動(dòng)256x32點(diǎn)陣液晶。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 總體方案設(shè)計(jì)
    FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件總體方案設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。當(dāng)FPGA、ADC以及12864顯示器初始化完畢之后，判斷是否有模擬信號(hào)輸入到ADC器件中，如果沒有，則等待信號(hào)的輸入；如果有，則ADC開始采集數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成之后，送到FPGA芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。然后，傳送到12864顯示器中進(jìn)行波形的顯示。最后，再次判斷有無信號(hào)輸入到ADC中，如果有，則繼續(xù)進(jìn)行下次的采集流程；如果沒有，則結(jié)束程序。

3．2 FIFO緩存設(shè)計(jì)
    由于A／D轉(zhuǎn)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(fù)讀取，可以將處理后的數(shù)據(jù)暫時(shí)存入FIFO中。FIFO是一個(gè)先入先出的堆棧，利用FPGA內(nèi)部強(qiáng)大的寄存器功能，設(shè)計(jì)了一個(gè)FIFO的數(shù)據(jù)緩沖器。
    如圖5所示，A／D轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)存入FIFO緩存中，F(xiàn)PGA檢測(cè)顯示器12864有無讀信號(hào)，如果有讀信號(hào)，則FIFO輸出信號(hào)給顯示器；如果沒有，則數(shù)據(jù)繼續(xù)存儲(chǔ)在FIFO中，等待被取走。

4 結(jié)束語
    基于FPGA在高速數(shù)據(jù)采集方面有單片機(jī)和DSP無法比擬的優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)PGA具有時(shí)鐘頻率高，內(nèi)部延時(shí)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(diǎn)。因此，本文研究并開發(fā)了一個(gè)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(shè)計(jì)方案，就是利用FPGA作為整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心來對(duì)系統(tǒng)時(shí)序和各邏輯模塊進(jìn)行控制。依靠FPGA強(qiáng)大的功能基礎(chǔ)，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(shí)現(xiàn)了課題的要求，達(dá)到了數(shù)據(jù)采集的目的。