基于FPGA多通道同步數據采集系統設計

　引言

　　數據采集在工業(yè)測控領(lǐng)域里有廣泛的應用，它已成為計算機測控系統的一個(gè)重要的環(huán)節，尤其在設備故障監測系統中，由于各種設備的結構復雜，運動(dòng)形式多種多樣，發(fā)生故障的可能部位很難確定，因此我們需要從設備的各個(gè)部位來(lái)提取大量的、連續的數據作為設備狀態(tài)的信息，以此來(lái)分析、判斷設備是否存在故障，這就需要高速、高性能的數據采集系統來(lái)保證采集到的數據的實(shí)時(shí)性；同時(shí)，我們需要對同一設備的不同位置的信號進(jìn)行同步采集，并借助一些手段來(lái)提取特征（例如繪制軸心軌跡圖）以判斷設備的運行狀態(tài)。傳統的數據采集系統設計中，通常采用單片機或DSP作為主控制器來(lái)控制ADC、存儲器及其他相關(guān)的外圍電路來(lái)工作。隨著(zhù)可再生能源應用的日益增多，以此建立的分布式發(fā)電系統也逐漸增加。為了更好地對分布式電源進(jìn)行控制，通常需要對多個(gè)模擬信號進(jìn)行實(shí)時(shí)數據采集，同時(shí)為了保證數據的一致性，必須同時(shí)對數據進(jìn)行采樣[1-2]。常用的數據采集方案往往以單片機為控制核心，控制A/D(模數轉換器)對多路信號進(jìn)行采集及處理，但由于單片機本身的指令周期以及處理速度的影響，難以達到對多通道高速數據實(shí)時(shí)采集的要求；并且單片機控制的各種功能模塊要靠軟件的運行來(lái)實(shí)現，軟件運行時(shí)間在整個(gè)采樣時(shí)間中占很大的比例，對并行的多路高速數據采集的速度和效率較低；而FPGA在高速數據采集方面相比單片機具有較好的優(yōu)勢，全部控制邏輯由硬件來(lái)完成，適合對時(shí)序要求嚴格的多路高速實(shí)時(shí)數據采集系統[3]。

　　1 系統結構圖

　　分布式電源通常通過(guò)并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng)，為了實(shí)現對分布式發(fā)電的靈活控制，需要采集電網(wǎng)側的電壓電流信號、分布式電源逆變器側的電壓電流信號以及逆變器直流母線(xiàn)側的電壓和電流。采集系統整體結構如圖1所示。主要包括電壓電流互感器、強電隔離電路、模擬信號處理電路、模數轉換（A/D）電路、A/D控制電路、FFT運算電路、頻率測量電路、三相PLL相位鎖定電路、雙口RAM控制模塊以及CPU對FPGA控制的邏輯控制模塊等[4]。

　　設計的采集系統主要采用Altera公司的FPGA（Cyclone II EP2C20Q240）來(lái)實(shí)現[6]。在FPGA內部，集成了大部分的控制模塊，主要有A/D轉換控制模塊、雙口RAM控制模塊、頻率測量模塊及FFT運算模塊等，采集到的數據存儲到外部的雙口RAM中，以便與CPU共享數據。

　　2 系統模塊設計

　　2.1 模擬信號處理電路

　　模擬信號處理電路如圖2所示，主要處理傳感器輸出的模擬信號，并送入A/D模塊。電阻R1的阻值選擇10 kΩ，可以減少整個(gè)電路對干擾的敏感性；電容C1可以減少高頻干擾電流的差模和共模的干擾，為了使信號不產(chǎn)生延時(shí)，電容值一般選取100 pF以下；為了使整個(gè)電路有很強的抗共模干擾能力，在運算放大器的同相輸入端接2R2的電阻以使整個(gè)電路保持較好的對稱(chēng)性；輸入端的2個(gè)分裂電阻之間接G位二極管以對整個(gè)電路保護，防止突然的過(guò)電壓，G位二極管應該選擇具有低反向電流的快速二極管，在本設計中選用安捷倫的HSMS2702。

　　2.2 A/D轉換控制模塊

　　A/D轉換電路采用德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的ADS7864[5]，該芯片是高速6通道全差分輸入雙12位A/D轉換器，內部含有2個(gè)500 kHz采樣速率的逐次逼近模數轉換器，可以同時(shí)進(jìn)行采樣和轉換，2個(gè)模數轉換器分別對應三路輸入通道（第一個(gè)模數轉換器對應的通道為A0、B0、C0，第二個(gè)模數轉換器對應的通道為A1、B1、C1），芯片含有三路差分采樣/保持放大器和一個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)。六路通道被分為三對，各由HOLDA、HOLDB、HOLDC三個(gè)信號控制為采樣或保持模式，輸入信號在進(jìn)入采樣保持電路之前經(jīng)過(guò)全差分電路運算，使其在500 kHz采樣率的情況下仍能保持高達80 dB的共模抑制比，對于高噪聲環(huán)境下輸入噪聲的抑制起到了非常重要的作用。