基于FPGA的高速實(shí)時(shí)數據采集系統設計

摘要：設計的基于FPGA的高速實(shí)時(shí)數據采集系統，可控制6路模擬信號的采集和處理，FPGA中的6個(gè)FIFO對數據進(jìn)行緩存，數據總線(xiàn)傳給DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和上傳給上位機顯示。程序部分是用Verilog HDL語(yǔ)言，并利用QuartusⅡ等EDA軟件進(jìn)行仿真，驗證了設計功能的正確性。
關(guān)鍵詞：FPGA；Verilog HDL；FIFO；數據采集

0 引言
隨著(zhù)當今社會(huì )信息技術(shù)的快速發(fā)展，高速數據采集及處理在人們生活、現代工業(yè)和科學(xué)研究等很多領(lǐng)域中廣泛地應用。同樣，在一些高精度、快速的測量中需要對數據進(jìn)行高質(zhì)量、高速度的采集。傳統的數據采集系統往往采用單片機或數字信號處理器(DSP)作為控制器，來(lái)控制模／數轉換器(ADC)、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，效率較低，很難滿(mǎn)足系統對數據采集系統實(shí)時(shí)性和同步性的要求。同時(shí)，FPGA具有高的時(shí)鐘頻率，運行速度快，開(kāi)發(fā)周期短，集成度高，功耗低，設計費用低，組成形式靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，設計利用FPGA的高速實(shí)時(shí)數據采集系統有著(zhù)重要的價(jià)值。

1 FPGA硬件設計
1．1 數字系統設計介紹
6路模擬信號經(jīng)過(guò)模擬信號處理模塊，形成電壓差分模擬信號，其目的是減少直流漂移，去除共模干擾，為后級的模／數轉換器(ADC)做準備，系統的硬件框圖如圖1所示。經(jīng)過(guò)ADS8364模數轉換器件后，將輸入的模擬差分信號變換為適用于控制過(guò)程、存儲、處理、執行計算并顯示讀出等其他目的的數字信號。在FPGA的控制下，數字信號被存儲在異步FIFO中，再按照設計要求將存儲在異步FIFO中的數據通過(guò)總線(xiàn)接口實(shí)時(shí)、高速、大量地傳輸到DSP芯片中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，最后再傳輸到上位機。

1．2 外圍主要電路
1．2．1 外部開(kāi)關(guān)控制信號
外部開(kāi)關(guān)控制信號的作用是給整個(gè)系統提供開(kāi)關(guān)信號。為了滿(mǎn)足工業(yè)應用，避免長(cháng)線(xiàn)傳輸中的共地和電平不一致，采用了光電隔離，實(shí)現了將輸入的24 V電壓轉化為3 V輸出電壓的功能，然后再通過(guò)整形電路整形后，傳輸到FPGA的I／O接口上。
1．2．2 A／D轉換電路
對于采集的6個(gè)通道的信號，由于采樣速率高，因此選擇了ADS8364芯片進(jìn)行模數轉換。其工作電壓為+5V，獨立6通道全差分輸入，2.5V參考電壓的REFIN和REFOUT引腳、有效數據位為14位、采樣頻率可以根據設計要求進(jìn)行調節并且最高的采樣頻率可以達到250 KSPS、帶有6級深度的FIFO輸出、功耗只有450 MW、6個(gè)差分采樣放大器以及高速并行接口等主要參數。
ADS8364芯片的輸入通道分為三組(A，B和C)的6路模擬信號輸入通道，每個(gè)端口含有ADCS和保持信號引腳，這兩個(gè)信號用來(lái)保證幾個(gè)通道能同時(shí)進(jìn)行采樣和轉換，同時(shí)輸入電壓是從-VREF到+VREF之間變化的差分模擬輸入電壓信號。6個(gè)十六位ADCS可以同時(shí)工作，即6通道同時(shí)進(jìn)行轉換。HOLDA，HOLDB，HOLDC這三個(gè)轉換保持信號啟動(dòng)相對應的通道進(jìn)行模數轉換。如果這些保持信號同時(shí)有效時(shí)，這6個(gè)通道轉換的結果就被保存在6個(gè)寄存器中，如果FPGA中的AD控制模塊對ADS8364芯片執行每一個(gè)讀操作時(shí)。ADS836就會(huì )輸出十六位數據到FPGA中，A0，A1，A2這3個(gè)是地址／模式信號，它們決定ADS8364芯片采用何種方式讀取數據。有單通道，單周期或FIFO模式三種模式供選擇。HOLDA，HOLDB，HOL DC至少20 ns保持低電平，相應的通道才能開(kāi)始轉換。20 ns的低電平使得相應通道的采樣保持放大器處于保持狀態(tài)，進(jìn)而所選擇的模數轉換通道就開(kāi)始進(jìn)行數據轉換，本設計方案所選擇的ADS8364地址／模式信號是單通道模式讀取數據，6通道同時(shí)進(jìn)行數據轉換，其器件連接圖如圖2所示。

1．2．3 UART通信模塊
在本設計中，采用了一片CP2101芯片來(lái)實(shí)現與PC機的USB接口通信，其電路原理圖如圖3所示。