基于A(yíng)D7762和FPGA的數據采集系統設計

摘要 為了滿(mǎn)足音頻數據采集過(guò)程中對頻率和分辨率等技術(shù)指標的要求，設計了一種高速數據采集裝置。文中設計采用Altera公司的Cvclone系列FPGA芯片EP1C4F400在QuartusⅡ環(huán)境下使用Verilog語(yǔ)言控制ADI公司的AD7762A／D轉換器實(shí)現數據采集。通過(guò)串口將數據傳給上位機，完成數據分析和顯示功能FPGA控制整個(gè)系統的采集時(shí)序。
關(guān)鍵詞 數據采集；AD7762；FPGA；寄存器控制；串口

隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展，通信業(yè)務(wù)不斷擴大，人們越來(lái)越重視高速數據采集和處理技術(shù)。數據采集系統主要包括增益放大器、A／D模數轉換器、功能控制端。文中設計了一種以FPGA為控制核心，用于控制A／D的轉換時(shí)序及數據傳輸的高速數據采集系統。

1 系統總體結構
設計系統以FPGA芯片EP1C4F400作為采集系統的核心控制單元，采用模數轉換芯片AD7762作為數據采集的核心模塊。由A／D轉換后產(chǎn)生的數字信號通過(guò)串口傳輸到上位機，由上位機對數據進(jìn)行一系列分析。該系統主要南前端處理模塊、A／D轉換控制模塊、FIFO緩存模塊及串口模塊組成，系統如圖1所示。

2 硬件設計
2．1 模數轉換模塊AD7762
AD7762是ADI公司近年推出的一款高性能、低功耗、并行24位Sigma-Delta模數轉換芯片ADC。寬輸入帶寬，在625 khit·s-1時(shí)信噪比為106 dB的高速Sigma-Delta轉換，使得其能夠高速獲得數據。片上集成用于信號緩沖的差分放大器，低通數字FIR數字濾波器，需要最少的外圍設備。另外，AD7762還提供了可編程的采樣速率和可調整的FIR數字濾波。AD7762要求在無(wú)復雜的前后端信號處理設計中有較高的SNR。
在應用正常模式下，為實(shí)現指定性能，差分放大器需要被配置為前端平滑濾波器，前端使用低噪聲，高性能的運算放大器對其進(jìn)行配置，實(shí)現單端信號轉差分號，然后驅動(dòng)AD7762。運算放大器使AD8021，差分放大器使用AD8138。信號由AD8021運算放大器輸入端口接入，根據A／D輸人信號的幅度標準進(jìn)行輸入信號幅度的調整，經(jīng)由AD8138差分放大器進(jìn)行單端轉差分處理，之后送入模數轉換器中。其電路實(shí)現如圖2所示。

AD7762有許多用戶(hù)可編程寄存器?？刂萍拇嫫饔糜谠O置濾波頻率、濾波器配置、時(shí)鐘分頻器等。AD7762使用16位雙向并行接口，該接口受控于。
2．2 主控制FPGA模塊EP1C4F400
系統的主控制器采用Altera公司Cyclone系列的EP1C4F400C8N。Ahera Cyclone系列FPGA從根本上針對低成本進(jìn)行設計，具有專(zhuān)業(yè)應用特性。器件基于成本優(yōu)化的全銅1．5VSRAM工藝，輸入輸出電源電壓是3．3 V。內核供應電壓是1．425～1．575 V。Cyclone FPGA綜合考慮了邏輯、存儲器、鎖相環(huán)(PLL)和高級I／O接口。具有專(zhuān)用外部存儲器接口電路，支持DDRFCRAM和SDRAM器件以及SDR SDRAM存儲器的連接。支持單端I／O標準如3．3 V、2．5 V、1．8 V、LVTTL、LVCMOS、PCI、和SSTL-2／3，滿(mǎn)足當前系統需要。通過(guò)LVDS和RSDS標準提供多達129個(gè)通道的差分I／O技術(shù)支持，每個(gè)LVDS通道信號數據率高達640 Mb·s-1。FPGA中有兩個(gè)鎖相環(huán)(PLLs)，提供6個(gè)輸出和層次時(shí)鐘結構，以及復雜設計的時(shí)鐘管理電路。FPCA中包括17個(gè)M4K存儲塊。每塊提供288 kbit的存儲容量，能夠使配置支持多種操作模式，包括RAM、ROM、FIFO及單口和雙口模式。
2．3 系統后端數據傳輸模塊
在數據傳輸模塊中，設計調用FPGA片上資源實(shí)現FIFO緩存。存儲深度為256×16 bit。由于A(yíng)／D的采樣頻率和串口的讀寫(xiě)頻率不同，因此設計中采用讀寫(xiě)時(shí)鐘異步的FIFO。FIFO中的數據通過(guò)串口傳輸到上位機，設計中串口芯片采用美信公司專(zhuān)門(mén)為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片MAX3232芯片，使用+3．3 V單電源供電。

3 軟件設計
系統利用Ahera QuartusⅡ軟件完成FPGA程序的編寫(xiě)。Altera QuartusⅡ軟件提供完整的多平臺設計環(huán)境，能夠直接滿(mǎn)足特定的設計需要，為FPGA開(kāi)發(fā)提供全面的設計環(huán)境。QuartusⅡ開(kāi)發(fā)軟件支持多種設計輸入方式。由于FPGA支持Verilog／VHDL混合開(kāi)發(fā)，設計主要采用文本形式文件輸入方式和存儲器數據文件出入方式，采用的Verilog／VHDL硬件描述語(yǔ)言設計輸入，易于實(shí)現自頂向下的設計方法，易于模塊劃分和復用、移植性好、通用性強，具有較好的硬件平臺無(wú)關(guān)性，設計不因芯片工藝和結構的改變而改變，利于向ASIC移植。
3．1 A／D轉換器的控制寄存器
A／D時(shí)序分為寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序。寫(xiě)時(shí)序控制A／D寄存器的寫(xiě)操作。寫(xiě)操作包括兩部分，先寫(xiě)控制寄存器2，給A／D加電，控制寄存器2的地址是0X0002，高10位全部是0。低6位的內容如圖3所示。

設置A／D的時(shí)鐘分頻比率，CDIV=1，則ICLK=MCLK。CDIV=0，則ICLK=MCLK／2。設計硬件電路中連接的時(shí)鐘是MCLK=40 MHz，但A／D中允許的最大的ICLK時(shí)鐘是20 MHz，需要對外部時(shí)鐘進(jìn)行分頻，因此此位設為0。D1PD位置高將關(guān)斷片上差分放大器，本設計中置0，第二位寫(xiě)入1。再寫(xiě)控制寄存器1，設置A／D的濾波頻率、濾波器長(cháng)度位、數據輸出頻率等?？刂破?的內容如表1所示。