基于FPGA的高速数据采集存储系统的设计.docx
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基于FPGA的高速数据采集存储系统的设计
1绪论
1.1课题的研究背景及意义
随着科学技术的迅猛发展，新技术革命将把人类由工业化社会推进到信息化社储为主要内容的数据采集测试技术，已形成了一门专门的技术科学。
数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。
数据采集技术是信息科学的重要分支，它不仅应用在智能仪器中，而且在现代工业生产、国防军事及科学研究等方面都得到广泛应用，无论是过程控制、状态监测，还是故障诊断、质量检测，都离不开数据采集系统[1]。
数据采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同需要进行相应的计算和处理，得出所需要的数据。
与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中的一部分数据还将被控制生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。
存储测试系统是一种数据采集系统（DAS），包括数据采集记录硬件和计算机数据分析处理软件；一般情况下，将信息量化采集后先存入系统中的数据存储器，等任务执行完后再进行事后的数据读取和分析；数据采集记录硬件部分在工作完成后进行回收，以便进行数据回读[2]。
一个大型的数据采集系统由以下几个部分组成：
数据采集、数据传输、数据存储、数据处理、分析和显示等。
数据采集技术的发展离不开传感器和计算机控制技术。
网络化测量、采集和控制是其发展的必然趋势。
数据采集几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医药器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好的获取信息提供了良好的基础。
目前，数据采集测试技术已经在许多重大武器型号的研究、研制、生产、验收和使用中得到成功应用，并取得了一系列重要科研成果。
在航空、航天、机械、电子等多个领域，解决了过去无法解决的重大测试难题，显示出了突出的优越性。
1.2课题的研究现状及发展前景
近几年，Internet网络飞速发展，各式各样的网概念个技术不断涌现，如电子商务（B2B、B2C等）、对等网络（P2P）、Net、移动电子商务、无所不在的电子计算等等，他们改变着人们的生活和工作，同时也深刻的影响着工业领域内的各种采集、控制、监控系统的结构和功能。
数据采集系统（DateAcquisitionSystem,简称DAS）目前在工业领域应用非常广泛，在工业领域存在大量远程数据采集系统，这些系统支持着工业领域，如电力、军事、通信等各种生产的正常运行。
具体应用如水、电、煤气调度SCADA系统，电力变电站综合自动化系统等。
在这些数据采集系统中访问装置数据源是必须的功能，数据采集系统是工业控制和监控系统的核心和基础。
数据采集技术是存储测试技术的一个重要组成部分，是以传感器、信号测量与处理、计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术。
它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等作业，具有很强的使用性。
目前，数据采集技术已广泛应用于工业控制系统、数据采集系统、测自动试系统、智能仪器仪表、遥感遥测、通讯设备、机器人、高档家电等方面。
可以预见，随着大规模集成电路技术与计算机技术的发展，数据采集技术将在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、无损监测、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程众多领域发挥更大的作用。
特别是计算机的发展，网络化可以更好地协调工作，增强系统的可靠性，势必推动数据采集在更加广阔的领域应用[3]。
1.3课题的提出与要求
现在，以PC作为平台发展的数据采集系统已成为当前数据采集技术的重要发展方向。
国外很多公司与厂商都投入巨资进行数据采集系统的研制开发与生产销售，其中比较著名的有NEFF、IOTECH、NI、HP、TEK、ZONIC和VMIC等。
他们不断推出各种性能优异、种类齐全的产品。
现在应用比较广泛的有这么几类采集系统，ISA数据采集系统、PCI数据采集系统、SCXI数据采集系统、便携式数据采集系统以及USB数据采集系统。
目前，虽然市场上有很多不同类型的数据采集产品，但这类产品还存在诸如功能单一、通用性差、操作复杂，并且对测试环境要求较高等问题，这些都限制了其具体应用的范围，这也迫使我们必须从实际出发，设计一套高速的、较为通用的系统，本课题正是基于这一背景下提出来的。
本课题的主要目的就是，设计一个数据采集测试系统，对被测参数进行实时数据采集、存储。
该系统完成以下几种信号的采集：
1．六十四路模拟信号，电压范围0～5V
2．八路无源开关量信号。
3．一路数字脉冲信号，信号形式为TTL电平信号或低电平0V、高电平12V的脉冲信号。
1.4整体设计方案
根据被测参数要求，提出系统整体设计方案，其系统框图如图1.1所示。
图1.1整体设计方案
整个系统由信号采集模块、存储器模块、中心控制模块、接口电路以及其他
的外围辅助电路组成。
信号采集模块是存储测试中的重要环节，关系着获取信息的质量和采集测试
的精度。
模拟信号的采集电路通常由跟随器、模拟开关、A/D转换器、缓冲器等部分组成。
被采集的信号经A/D转换成数字信号后存入存储器。
电路的整个时序由逻辑控制模块协调控制。
数字量和开关量的采集电路同样是在主控制模块的控制下进行的。
主控制模块由FPGA及其外围电路组成。
FPGA是控制模块的核心部分。
主要完
成A/D转换器的时钟选取、数据的存储计算以及相应的控制逻辑、实现与PC机的通信等控制任务。
微型计算机与I/O设备的接口按照传输数据方式的不同，可分为并行接口和串行口两种。
前者使传输数据的各位同时在总线上传输，后者则使数据一位一位的传输。
并行传输又有字并行和字节并行之分，并行接口一般实现的是字节并行传输。
本课题采用并口传输方式。
2系统硬件设计
2.1系统的整体结构
系统的整体结构如图2.1所示：
图2.1系统的整体结构图
2.2模拟信号采集通道的设计
存储测试系统常常需要多通道同时采集。
在此情况下，若是在每个通道都设置一套模拟传输及量化器，是不经济的，有时也是不必要的，特别在有限的体积内有时甚至是不可能的，因此，本系统要根据被测信号的特点与测试要求，模拟信号采集通道采用多路转换器，用最简单的硬件电路完成多路信号的存储测试。
模拟信号采集通道的框图如图2.2所示：
图2.2模拟信号采集通道图
在本系统中，模拟输入信号的电压范围是0～5V。
本课题采用LM324运算放大器作为电压跟随器，用来稳定输入信号，增加AD9221的输入阻抗。
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。
内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
在本系统中，考虑到模拟输入信号有64路，所以采用模拟开关来实现数据的传输是很有必要的。
2.3数字信号采集通道的设计
1路数字信号，由于输入是TTL电平信号或低电平0V、高电平12V的脉冲信号。
所以数字信号必须经过电平调整处理，才能够存入存储器（存储器输入电压为3.3V，后面会有介绍）。
下面是一个调压电路:
D1是一个3.3V的稳压管，如果输入电压大于3.3V，则将AS1输出电压钳制在3.3V，起到了调压的作用。
如果是低于3.3V，那么电压将不改变。
图2.3调压电路
2.4开关量采集通道的设计
开关信号分为有源和无源两种，开关信号需要经过隔离和驱动才能与执行机构
相连接。
造成执行机构的误动作。
开关量隔离的目的在于直接电气联系，以防地电位差、外界电磁场等干扰因素。
在本设计中，采用光电耦合器件作为隔离器件，74HC14作为驱动器件
2.4.1开关量隔离电路的设计
光电耦合器件是以光为媒介传输信号的电路，如图2.4所示。
发光二极管和光敏三极管封装在同一个管壳内，发光二极管的作用是将电信号转变为光信号，光敏三极管接受光信号再将它转变为电信号。
光电耦合器件的特点是：
输出信号与输入信号在电气上完全隔离，抗干扰能力强，隔离电压可达千伏以上。
无触点，寿命长，可靠性高。
响应速度快，易于TTL电路配合使用。
图2.4开关量隔离电路
图2.4电路的工作过程如下：
当输入为低电平时，流过发光二极管的电流为零，光敏三极管截止，输出为高电平。
当输入为高电平时，电流经R71流经发光二极管使其发光，光信号的作用于光敏三极管，使其饱和导通，输出为低电平。
所以光电耦合器件兼有反相及电平转换的作用。
R71为限流电阻，其阻值决定了发光二极管的导通电流，此电流一般选为数毫安。
R72的取值要保证输出的高、低电平要求。
光电耦合器件的一个重要参数是电流传输比CTR，当输入为高电平时，须使R72＞+V/（CTR*输入电流）才能保证输出为低电平。
如果R72选的太大，则输出电压带动拉电流负载的能力减弱，光敏三极管的暗电流也会对输出高电平造成不利影响。
因此，需要综合各方面的因素来确定R72的阻值。
2.4.2开关量驱动电路的设计
开关量驱动电路采用TTL三态门缓冲器，本设计采用74HC14，它的驱动能力要高于一般的TTL电路，如图2.5所示。
74HC14是六芯片集成电路，内部包含六组形式完全相同的反相器，除电源共用外，六组反相器相互独立。
74HC14是施密特输入反相器芯片,输入电平从低到高的翻转电平高于从高到低的翻转电平,使输入缓慢变化或不太规则变化的边沿整形成陡峭的边沿.施密特输入只是使得上跳沿和下降沿变得比原始输入信号的上升和下降更加陡峭一些，也就是在数字电路起整形作用。
图2.5开关量驱动电路
2.5模拟开关的选择
模拟开关是数据采集系统中的主要器件之一，它的作用是切换各路输入信号。
在测控系统中，被测物理量通常是几个或几十个。
为了降低成本和减小体积，系统中通常使用公共的采样保持器、放大器及A/D转换等器件，因此需要使用多路开关轮流把各路被测信号分时地与这些公用器件接通。
多路开关有机械触点式开关和半导体模拟开关。
机械触点式开关中最常用的是干簧继电器，它的导通电阻小，但切换速度慢。
集成模拟电子开关的体积小，切换速率快，无抖动，耗电小，工作可靠，容易控制。
它的缺点是导通电阻较大，输入电压电流容量有限，动态范围小。
在较低频段上（f<10MHz）的集成模拟电子开关，通常采用CMOS工艺制成；而在较高频段上（f>10MHz）则采用双极型晶体管工艺技术。
集成模拟电子开关在测控技术中得到广泛应用。
在设计中往往要用到模拟开关，对于不同的用途需要选择不同的模拟开关。
在选择时要考虑以下参数:
1、通道数量
通道数量对传输的被测信号的精度和切换速度有直接的影响，因为通道数目越多，寄生电容和泄露电流通常也越大，特别是在使用集成模拟开关时，虽然只有其中一路导通，但由于其他模拟开关断开时（此时处于高阻状态）仍存在漏电流，从而也要对导通的那一路开关产生影响：
通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。
2、导通电阻
理想的多路开关其导通电阻应为零，断开电阻应为无穷大，但是实际中的模拟开关无法达到这个要求。
模拟开关的导通电阻会使信号电压产生跌落，尤其是和低阻抗器件串联使用的时候，因此需要考虑开关电阻。
希望导通电阻尽量小。
3、开关时间
由于模拟开关器件中有导通电阻并有寄生电容，这样就会产生一定的导通和关断时间，通常希望器件具有短的开关时间。
4、泄漏电流
指开关断开时的泄漏电流。
如果信号源内阻很大，传输的是电流量，此时就更需要考虑它的泄漏电流，一般希望泄漏电流越小越好。
另外根据系统实际需要，还要考虑开关的数量、种类（几选一、逻辑控制等）。
5、切换速度
对于传输快速变化的场合，就要求多路开关的切换速度高，当然也要考虑后一段的采样保持和A/D的速度，从而以最优的性价比来选取多路开关的切换速度[4]。
作为多路选择开关，需要多通道快速循环采集。
本系统选择了开关速度比较快、泄漏比较小、16选1的模拟选择开关ADG506。
AD0506电压范围宽、功耗低、泄漏小。
其主要的参数为：
低泄漏：
20pA（典型值）
较低的导通电阻：
200
较高的开关速度:
导通200ns、关闭200ns
图2.6为ADG508在系统中的应用。
当A6=1时，ADG506开始工作，随着A1、A2、A3和A4的变化，16个通道轮流进行数据采集。
A1、A2、A3、A4、A6由FPGA提供。
当A6=1时，ADG506停止工作，数据采集结束。
图2.6ADG506在系统中的应用
2.6A/D转换器的选择
随着超大规模集成电路技术的飞速发展和计算技术在工业领域的广泛用，A/D
转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。
为满足各种不同的检测和控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换电路应运而生。
有传统的并行型、逐次逼
近型、积分型，也有近年来新发展起来的∑一△型和流水线型等，各种类型的ADC各有其优缺点，可满足不同的要求。
2.6.1模数转换器的分类及其特点
目前，模数转换集成电路主要有以下几种类型：
1、并行比较ADC
并行比较ADC是现今速度最快的模/数转换器，通常称为“闪烁式"ADC。
它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四部分组成。
这种结构ADC的所有位同时转换，其转换时间主要取决于比较器的开关逮度、编码器的传输时间延迟等。
增加输出位数对转换时间的影响较小，但随着分辨率的提高，需要高密度的模拟设计，以实现转换所需的大量精密分压电阻和比较器电路。
例如，N位ADC需要2n个精密电阻和2（n-1）个并联比较器。
这类ADC的优点是:
模数转换速度高；缺点是分辨率不高，功耗大，成本高。
2、逐次逼近型
逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法，它由比较器、DIA转换器、比较寄存器、时钟发生器以及控制逻辑电路组成。
它将采样输入信号与已知电压不断进行比较，然后转换成二进制数。
主要通过二分探索法求得一数字码，使其对应的电压最接近于输入电压。
这一类型ADC的优点:
转换速率比较高，采样速率可达1MSPS；与其它ADC相比，功耗相当低；转换精度也比较高。
在高精度、快速A/D变换中应用最为广泛。
3、积分型ADC
前面所讲到的并行比较ADC和逐次逼近型ADC均属于直接转换ADC,而积分型和后面所讲的压频变换型ADC则属于间接ADC。
积分型ADC又称为双斜式ADC。
它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。
与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，根据时间间隔的值计算出模拟电压的值，从而实现A/D转换。
积分型ADC的转换精度只取决于参考电压，因此容易提高它的精度。
这类ADC主要应用于低速、精密测量等领域。
其优点是:
分辨率高、功耗低、成本低。
缺点是:
转换速率低，转换速率在12位时为100～300SPS.
4、压频变换型ADC
压频变换型ADC是先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号，然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数，计数结果正比于输入模拟电压信号的数字量。
从理论上讲，这种ADC的分辨率可以无限增加，只要采样时间足够长，即满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。
其优点是:
精度高、价格低、功耗低。
缺点是:
类似于积分型ADC,其转换速率受到限制，12位时为100～300SPS。
5、∑--△型ADC
与一般的ADC不同，∑--△型ADC不是直接根据抽样数据的每一个样值的大小进行量化编码，而是根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。
∑--△型ADC由两部分组成，第一部分为模拟∑--△调制器，第二部分为数字抽取滤波器。
由于∑--△具有极高的抽样速率，通常比奈奎斯特抽样频率高出许多倍，因此∑--△转换器又称为过抽样转换器A/D。
这一技术的优点:
分辨率可高达24位，比积分型及压频变换型ADC的转换速率高，可实现低价格、高分辨率的数据采集。
缺点:
当高速转换时，需要高阶调制器，在转换速率相同的条件下，比积分型和逐次逼近型ADC的功耗高。
6、流水线型ADC
流水线型ADC（pipeline）又称为子区式ADC，它由若干级级联电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。
快速精确的n位转换器分成两段以上的子区（流水线）来完成。
流水线ADC不但简化了电路设计，还具有如下优点:
每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正，具有良好的线性和低失调性；每一级具有独立的采样/保持放大器，前一级电路的采样/保持可以释放出来用于处理下一次采样，因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理，从而提高了信号的处理速度，多级转换提高了ADC的分辨率。
由此可见这种类型的ADC不仅转换速度较高，而且分辨率也比较高[5]。
2.6.2模数转换器的主要参数
无论我们选择那种A/D转换器，都必须考虑以下几个主要性能指标:
1、分辨率（resolution）:
分辨率表示A/D转换器输出数字量变化一个相邻数码，所需输入模拟电压的变化量。
其值定义为满刻度电压与2N之比，其中N为ADC的位数。
例如设A/D转换器的位数为n，满量程电压为FSR，则A/D转换器的分辨率定义为:
分辨率=FSR/2N。
另外可以用百分数来表示分辨率，此时的分辨率成为相对分辨率。
公式为:
相对分辨率=分辨率/FSR·100%。
例如一个满量程电压为10V的12位A/D转换器，能够分辨模拟输入电压变化的最小值为2.44mV，相对分辨率为:
0.0244%.
2、量程:
量程就是指转换器所能转换模拟信号的电压范围。
3、绝对误差：
绝对误差定义为对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。
绝对误差一般在±1/2LSB范围内。
绝对误差包括增益误差、偏移误差、非线性误差，也包括量化误差。
4、量化误差:
量化误差是由ADC的有限分辨率引起的误差。
在ADC的转移特性曲线中，不计其它误差的情况下，一个分辨率有限的ADC的阶梯状转移特性曲线与具有无限分辨率的ADC转移特性曲线最大偏差，称之为量化误差。
5、偏移误差:
偏移误差是指最低有效位为“1”状态时的实际输入电压与理论输入电压之差，这一差值电压称作偏移电压，一般以满量程电压值的百分数表示。
6、转换速率:
转换速率是指能够重复进行数据转换的速度，即每秒钟转换的次数。
[11]
本系统中，A/D转换器选用了AD9221。
AD9221是一种低功耗、12位分辨率、1.5M最高转换速率的A/D转换器。
该转换器内部包含有12位的量化器、宽带采样保持电路、可编程电压基准源，采用单电源+5V供电，可以根据用户配置，信号以单端方式输入或是以差分方式输入。
输出为并行接口，兼容TTL电平。
由图2.5可以看出，AD9220属于子区式模/数转换器结构，并且采用了数字校正技术，AD公司称之为多级差分管线结构（Multistagedifferentialpipelinearchitecture）。
由于采用了这样的结构，AD9220可以在1.5Msps时提供11.3为有效位数（ENOBS），信号/（噪声+失真）比为70dB[6]。
图2.7AD9221内部结构图
2.6.3AD9221在系统中的应用
模拟信号从数据输入端VINA输入，经过模数转换，输出12位的数字信号。
图2.6为AD9221的通用接法。
图中AIN是经调整过的模拟信号，AD9221采用单通道输入，信号从VINA端输入。
AD9221的时钟端CLK由FPGA控制提供。
图2.8AD9221在系统中的应用
2.7中心控制模块的设计
中心控制模块由FPGA及其外围电路组成，主要用来对整个电路的时钟信号进行控制，保证数据的正确存入与读出。
其结构框图如图2.7所示
图2.9中心控制模块的结构框图
现场可编程门阵列（FPGA）是近十年加入到用户可编程技术行列中的器件。
它由逻辑功能块排列成阵列组成，并由可编程的内部连线连接这些逻辑功能块来实现不同的设计，可编程门阵列在器件的选择和内部的互连上提供了更大的自由度。
FPGA可以达到比PLD更高的集成度，但具有更复杂的布线结构和逻辑实现。
PLD与FPGA之间的主要差别是PLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来进行编程，而FPGA是通过修改一根或多根分隔宏单元的基本功能块的内连线的布线来进行编程。
因此，FPGA既有门阵列的高逻辑密度和通用性，又有可编程逻辑器件的用户可编程特性，而且它更接近PCB的设计模式。
采用FPGA的优点是：
在实现系统小型化、集成化和高可靠性的同时，减少了风险，降低了成本，缩短了周期[7]。
FPGA的开发可以用硬件描述语言（HDL）编程，然后在开发平台上进行验证，最后由EDA工具自动实现设计；也可以在开发平台中用原理图的设计方式，像PCB设计方式一样的设计FPGA芯片中的硬件电路。
本设计中，采用Xilinx公司生产的SpartanXCS05系列的芯片XC2S50作为CPU，XC18V01_PC20作为EPROM，TPS70358作为供电芯片，详细介绍见第三章。
2.8存储器模块的设计
FLASHMEMORY（闪速存储器）是一类非易失性存储器NVM（NonVolatileMemory）即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息；而诸如DRAM、SRAM这类易失性存储器，当供电电源关闭时片内信息随即丢失。
FLASHMEMORY集其它类非易失性存储器的特点：
与EPROM相比较，闪速存储器具有明显的优势—在系统电可擦除和可重复编程而不需要特殊的高电压（某些第一代闪速存储器也要求高电压来完成擦除或编程操作）；与EEPROM相比较，闪速存储器具有成本低密度大的特点。
其独特的性能使其广泛的运用与各个领域，包括嵌入式系统，如PC及外设、电信交换机、蜂窝电话、网络互连设备、仪器仪表和汽车器件，同时还包括新兴的语音、图像、数据存储类产品，如数字相机、数字录音机和个人数字助理（PDA）[8]。
本系统采用存储芯片K9F1G08来进行数据的存储。
K9F1G08是一种容量为128M×8Bit的FLASH存储器，采用NAND闪存技术工艺完成。
具有不挥发、低功耗、擦写速度快等特点，并且在掉电后信息不丢失，采用单电源3.3V供电。
2.8.1FLASHMEMORY的分类及比较
在1984年，东芝公司的发明人FujioMasuoka首先提出了快速闪存存储器（此处简称闪存）的概念。
与传统电脑内存不同，闪存的特点是非易失性（也就是所存储的数据在主机掉电后不会丢失），其记录速度也非常快。
目前市场上的flash从结构上大体可以分为AND、NAND、NOR等几种。
Intel是世界上第一个生产闪存并将其投放市场的公司。
1988年，公司推出了一款256Kbit闪存芯片。
它如同鞋盒一样大小，并被内嵌于一个录音机里。
后来，Intel发明的这类闪存被统称为NOR闪存。
它结合EPROM（可擦除可编程只读存储器）和EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）两项技术，并拥有一个SRAM接口。
第二种闪存称为NAND闪存。
它由日立公司于1989年研制，并被认为是NOR闪存的理想替代者。
NAND闪存的写周期比NOR闪存短十倍，它的保存与删除处理的速度也相对较快。
NAND的存储单元只有NOR的一半，在更小的存储空间中NAND获得了更好的性能。
鉴于NAND出色的表现，它常常被应用于诸如CompactFlash、SmartMedia、SD、MMC、XD、andPCcards、USBsticks等存储卡上。
二十多年的发展过程中，FlashMemory技术经过了多次变革和发展。
但其变化的总体趋势一直都是：
存储容量越来越大、数据读写速度越来越快、性能价格比越来越高。
第三种是AND闪存。
AND技术是Hitachi公司的专利技术。
Hitachi和Mitsubi
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