基于FPGA的高速信号采集与处理.docx

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基于FPGA的高速信号采集与处理

摘要

近年来，随着科学技术的发展，数字信号处理技术在各个领域得到了广泛的应用。

人们以往通常使用DSP和ARM来对信号进行采集和处理，但由于DSP和ARM的许多功能都是靠软件来完成，整个软件的运行需要占采样时间的一部分，再加上它们不能很好地控制复杂的外围硬件电路的逻辑，使得它们在高速数据采集和处理上具有很大的缺陷。

现场可编程门阵列（FPGA）具有实时性、可控制性和处理速度快等特点，它的出现使得高速数字信号的采集和处理变得越来越容易。

本文设计了基于FPGA的高速信号采集板，并把所采集的信号数据在FPGA的开发板DE2上接收、验证和处理。

设计的主要内容包括：

1.精心选择A/D采样芯片，设计高速信号采集电路板。

2.简绍FFT的工作原理，并在MATLAB下进行仿真说明。

3.简绍关于FPGA方面的知识和设计所用的开发软件QuartusII8.0。

4.接收并验证所采集的高速信号，并对其做FFT变换。

试验结果表明，使用FPGA能对高速的信号进行准确的采集和处理。

整个系统的设计具有实时性好，精度高和可修改性强的特点，可以满足高数信号的采集和处理的需要，为从事高速信号采集和处理的相关人员提供了良好的方法和手段。

关键词：

FPGA；高速数据；采集；FFT；

Abstract

Intherecentyears,thedigitalsignalprocessingtechnologyobtainedthewidespreadapplicationineachdomainwithscience'sandtechnology'sdevelopment,peopleformerlyusuallyusedDSPandARMtocatchandprocessthesignal.ButDSPandARM'smanyfunctionscompletelydependonthesoftware,theentiredsoftware'smovementneedstooccupythetimeofcatching.inadditiontheycan'tcontrolthecomplexperipherycircuit'slogicofhardwareverywell.sotheyhaveverybigflawinhighspeeddatagatheringandprocessing.Field－ProgrammableGateArrayhastimeliness,thecontrollabilityandtheprocessingspeedquicklyandsooncharacteristics,itsappearancecausesthehighspeedfiguresignalgatheringandprocessingbecomemoreandmoreeasy.

ThisarticlehasdesignedbasedontheFPGADE2developmentboardandhaveprocessedthesignaldatawhichgathersonFPGAdevelopmentboardDE2,thedesigncoverageincludes:

1.designinghighspeedsignalgatheringcircuitboard;2.introductingtheprincipleofFFTindetail.3introductiontheknowledgeofFPGAandsoftwareofQuartusⅡ.4.catching,ConfirmatingandmakingtheFFTtransformationtothesignal.Thetest’sresultindicatesthatitisabletocarryonandprocessforthehighspeedsignalwithFPGA.

Allthesystemhastheverygoodtimeliness,highprecisionandstrongmodifiabilitycharacteristic.itissatisfythehighspeedsignalgatheringandtheprocessing’sneed.

KeyWord:

FPGA;highspeeddata;catch;FFT;

第一章绪论

数字信号处理技术是一门涉及多个学科的新兴技术，在人们日常生活和科研等许多领域都得到了广泛的应用，在过去的几十年里，数字信号处理技术在通信领域得到了广泛的应用，数字信号处理技术是利用计算机系统或其他专门处理系统对数字信号进行增强、压缩、识别和频谱估计等处理，以得到人们所需要的信号形式。

在大规模集成电路，超大规模集成和微处理器技术高速电路发展的今天，数字技术也得到了飞速的发展，数字处理技术日益成熟，也越来越得到人们的青睐。

世界上有许多公司专门生产数字处理信号开发平台，这些开发平台为人们日常处理数字信号提供了很大程度的便利，但是这些开发平台只能处理数字信号，而日常生活中的语音、温度、电信号等都是模拟信号，这些平台和计算机不能直接识别模拟信号，因此数据采集和模数转换技术就起到了至关重要的作用。

高速A/D技术则是A/D转换技术的重点，它在天文、国防和射频等领域都有着广泛的应用，但同时也是难点，因为需要采样的模拟信号频率比较高，因此稳定性较差。

高速的A/D转换器对外部电路的要求非常高，因为外部电路的设计直接影响模数转换的质量。

因此设计出一块高质量的高速信号采集板就非常有意义。

现场可编程门阵列（FPGA），它是在PAL、GAL、CPLD等众多可编程逻辑器件的基础上进一步发展而来的。

它既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺陷，是当代电子设计领域极有前途的一门技术。

FPGA的硬件描述语言（Verilog和VHDL）具有高度的可修改性,它的高度集成性和开发周期短等特点，使它在当今的电路设计上占有一席之地。

随着兼容FPGA的2ipcore的出现，这使得FPGA在数字信号的处理上更加简单，整个工程的研发周期也大大缩短，这使得FGPA在数字信号处理上的优势越来越明显。

FPGA在高速数据采集方面有着DSP和ARM所没有的优势，FPGA时钟频率高，内部延时非常小，可以通过锁相环分频得到我们所需要的频率；系统设计的控制逻辑可以全部由硬件完成，加上FPGA的天生并行处理能力，整个系统具有速度快，效率高的特点，因此非常适合高速数据采集。

在数字信号处理方面，FPGA也有着DSP等处理器无可比拟的优势，例如用DSP芯片实现的32阶8位FIR滤波器需要指令执行速度为3360MSPS，而FPGA实现32阶8位FIR滤波器的处理速度为105MSPS。

由此可以看出在处理高速数据时，系统对DSP的芯片的要求比较，而用FPGA可以在性能较低的器件上实现较高的功能。

第二章FPGA技术

2.1FPGA概述

FPGA是现场可编程门阵列（FieldProgramableGateArray）的简称，它具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，兼容了PLD和通用门阵列等其他可编程逻辑器件的优点，它不仅可实现较大规模的电路，而且编程也很灵活。

与门阵列等其它ASIC相比，它又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、质量稳定以及可实时在线检验等诸多优点，因此被广泛应用于产品的原型研究设计和产品大量生产之中。

几乎所有的应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA。

FPGA一般是由三种可编程电路和一个存放编程数据的静态存储器SRAM组成。

这三种可编程电路分别是：

可编程逻辑模块（ConfigurableLogicBlock,CLB）、输入/输出模块（I/OBlock,IOB）和互连资源（interconnectResource,IR）三个部分。

FPGA的基本结构如下图2.1所示。

图2.1FPGA的基本结构

2.2DE2开发平台

本次设计选用的开发平台是有Altera公司生产的DE2开发平台，此平台的资源非常丰富，包括：

一．AlteraCycloneIIEP2C35F672C6，它包含有35000个逻辑单元（LE），Altera下载控制芯片-EPCS16以及板上用于编程调试和用户API设计的USBBlaste。

二．丰富的存储芯片：

512K字节SRAM，8M字节SDRAM，4M字节Flashmemory

三．丰富的IO配置：

拥有4个按钮KEY0~KEY3，18个拨动开关SW0~SW17，18个红色LDE灯LEDR0~LEDR17，9个绿色LED灯LEDG0~LEDG8，8个七段数码管，16*2字符液晶显示屏，

四．超强多媒体：

24位CD音质音频芯片WM8731（Mic输入+LineIn+标准音频输出），视频解码芯片（支持NTSC/PAL制式），带有高速DAC视屏输出VGA模块。

五．更多标准接口：

通用串行总线USB控制模块以及A、B型接口，SDCard接口，IrDA红外模块，10/100M自适应以太网络适配器，RS-232标准串口，PS/2键盘接口

六．50M，27M晶振各一个，支持外部时钟。

带二极管保护电路的两个40个脚扩展端口JP1和JP2。

2.3选用的FPGA芯片

Altera的DE2教育平台选用的FPGA是CycloneⅡ系列FPGA中的EP2C35F672C6。

CycloneⅡ系列FPGA采用TSMC的90nm工艺，与竞争对手采用的90nm工艺的FPGA相比，其性能高出60%，而功耗降低一半，其价格则几乎可以与ASIC产品竞争。

优异的性价比使CycloneⅡ系列FPGA可以广泛的应用于汽车电子、消费电子、视频处理、通信以及测试测量等终端产品市场。

在所涉及的数字处理方面，CycloneⅡ系列FPGA也具有明显优势。

CycloneⅡ系列FPGA可以内置多达150个18*18的硬件乘法器，片上大容量的M4KRAM以及经过专门优化的对外部存储器的高速存储特征，使他们非常适合于数字信号处理器或者协处理器的场合。

Altera公司提供的数字处理器ipcore以及DSPBuilder软件包使数字信号处理产品的开发非常容易。

2.4使用开发的软件QuartusII8.0

本设计所使用的主要软件为AlteraQuartusII8.0，此软件提供完整的多平台设计环境，能够满足我们设计具体工程的需要，为可编程工具提供完整，全面的设计工具。

AlteraQuartusII8.0软件含有FPGA和CPLD设计所有阶段的解决方案，其设计流程如下图2.2所示。

图2.2QuartusII8.0设计流程图

第三章高速信号采集电路板的设计

3.1设计概述

本设计前端采用的信号采集电路板是自行设计的高速信号采集电路板，信号的采集速度最高能达到40MPSP，采样的精度为10位。

高速信号采集板对电源、模拟信号输入端口的外围电路和晶振的要求要比低速信号采集板高得多。

电路板的总体工作流程是：

外界输入的模拟信号经放大器放大后，进入A/D芯片转换为数字信号输出到FPGA的开发板DE2上。

设计的总体电路框图如图3.1所示。

图3.1高速信号采集板电路原理图

3.2电源端的设计

如下图3.2所示，我们在电源端使用LM7805稳压芯片来输出