基于FPGA的A-D数据采集系统的设计资料下载.pdf

1、随着计算技术的发展和各种功能的芯片的出现以及随之出现的E D A 设计软件的改善，数字采集技术正朝着高速度、高性能和易操作方向发展。本文介绍了一种常见的数据采集系统的结构，设计了系统主要的硬件电路，包括前端的A I）采集和基于F P G A 的A D 接口设计。根据每个模块的功能完成软件设计，包括利用F P G A 目标器件设计A D 采样控制器，完成控制A D C 0 8 0 9 的工作，并通过计算机时序仿真结果验证了该控制器的正确性。所有这些功能都采用V H D L 语言进行设计。论文深入研究了基于F P G A 的数据采集技术、外围硬件设计和V H D L 实现的逻辑设计与验证。硬件方面

2、进行了详细的电路设计和芯片选型，最后选择A D C 0 8 0 9高性能A D C、C y c l o n e I I 系列高端F P G A 芯片。软件方面基于Q u a r t u s I I 平台开发，采用自项向下的流程进行F P G A 的逻辑功能的开发。关键词：数据采集；F P G A；A D C 0 8 0 9；V H D L黑龙江大学硕士学位论文A b s t r a c tT h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tw a yt og a i ni n f o r m a t i o n，

3、i so n eo fi m p o r t a n tt e c h n o l o g i e st od e t e c tt h ec o n t r o l l e do b j e c ta n dm a n a g ed a t a C u r r e n t l y,d a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n，t r a n s p o r t a t i o ne q u i p m

4、e n t，m e d i c a le q u i p m e n t，b i o-e n g i n e e r i n ga n do t h e rf i e l d s W i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t i n gt e c h n o l o g y,t h ee m e r g e n c eo fm u l t i f u n c t i o nc h i pa n dt h ei m p r o v e m e n to fE D Ad e s i g ns o f t-w a r e，t h ed i g i t

5、 a la c q u i s i t i o nt e c h n o l o g ym o v et o w a r d sh i g h-s p e e d，h i g h-p e r f o r m a n c ea n de a s y-o p e r a t i o nd i r e c t i o n T h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h es t r u c t u r eo fac o m m o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m，d e s i g ns y s t e mh a r

6、 d w a r ec i r c u i t，i n c l u d i n gf r o n tA Da c q u i s i t i o na n dA Di n t e r f a c ed e s i g nb a s e do nt h eF P G A A c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l et oc o m p l e t et h es o f t w a r ed e s i g n，i n c l u d i n gu s i n gaF P G At a r g e td e v i c

7、 et od e s i g nA Ds a m p l i n gc o n t r o l l e ra n dc o m p l e t i n gt h ec o n t r o lw o r ko fA D C 0 8 0 9 I tp r o v e st h ec o r r e c t n e s so ft h ec o n t r o l l e rb yc o m p u t e rt i m i n gs i m u l a t i o n A l lo ft h e s ef u n c t i o n sa r ed e s i g n e db yV H D Ll

8、 a n g u a g e T h ep a p e rs t u d yd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nF P G A，P e r i p h e r a lh a r d w a r ed e s i g na n dl o g i cd e s i g na n dv e r i f i c a t i o nb a s e do nV H D Li nd e t a i l I nt e r m so fh a r d w a r e，t h ec i r c u i ts c h e m a t

9、i cd e s i g na n dc h i ps e l e c t i o na l ef u l l yd i s c u s s e d A D C 0 8 0 9a n dC y c l o n eI Is e r i e sF P G Ac h i pa r eu s e di nt h es y s t e mf i n a l l y I nt e r m so fs o f t w a r e，i tU s e St o p-d o w np r o c e s st od e v e l o pl o g i c a lf u n c t i o nb a s e do

10、 nQ u a r t u sI Ip l a t f o r m K e yw o r d s：D a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m；V H D LI I 目录中文摘要IA】j l S T R A C T I I目录I I I第1 章绪论11 1 课题研究目的及意义11 1 1 研究目的11 1 2 研究意义11 1 3 国内外同类课题研究的现状及未来发展趋势31 2 主要研究的内容51 3 本章小结5第2 章数据采集系统主要模块72 1 数据采集系统控制模块的选取72 1 1 数据采集系统模块的基本结构82 1 2 数据采集系统流程设计一92 2

11、数据采集系统采样模块的选取1 22 2 1A D 转换器的主要技术指标1 22 2 2 数据采集系统采样模块工作原理1 52 3 本章小结1 8第3 章系统开发语言及应用软件1 93 1 数据采集系统的硬件开发语言1 93 1 1 系统语言选择1 93 1 2 系统选择V H D L 语言的优势1 93 2 数据采集系统应用软件2 03 2 1 采集系统软件选择2 0黑龙江大学硕士学位论文3 2 2 采集系统选用Q u a r t u sI I 软件优势2 l3 2 3 设计流程2 13 3 本章小结2 1第4 章数据采集系统实现与仿真2 34 1A D 采样控制器设计与仿真2 34 1 1

12、采样控制器设计2 34 1，2 程序仿真2 84 1 3A D C 0 8 0 9 电路图和实验版3 04 2 本章小结3 0结 仑31参考文献3 2致谢3 7独创性说明3 8第1 章绪论第1 章绪论1 1 课题研究目的及意义1 1 1 研究目的数据采集就是把模拟信号经过特定方法转变为数字信号，把转变好的数据信号通过微机进行信号存储、信号处理、信号显示以及信息打印的这一完整过程n 1，我们把能够实现数据采集功能的系统统称为数据采集系统旺3，他是设备、检测仪表信息自动采集的基础。现场可编程逻辑门阵列（F P G A）是新型大规模可编程逻辑器件，在2 0 世纪9 0年代后期得到迅猛发展，是目前实现

13、数据采集系统的主要器件之一。现场可编程逻辑门阵列开始在数据采集领域应用后口1，因为现场可编程逻辑门阵列本真具有时钟频率高以及内部延时小，并且现场可编程逻辑门阵列全部控制逻辑都是由硬件完成的等优点，使现场可编程逻辑门阵列在数据采集系统的设计方面优势突显，逐渐成为数据采集系统未来发展方向上的一种趋势H 吲。现场可编程逻辑门阵列使数据采集系统设计灵活方便，缩短了开发设计所需要的周期，降低了设计制造产生的成本，并且具有串行、并行工作方式，在系统集成度、采集速度和系统可靠性等方面都有了显著提高，在高速工业生产领域应用效果尤为突出 6-8 o 数据信息采集系统的核心器件经过不断地研发更新，从功能简单的单片

14、机发展到功能强大的通用型器件，再到功能更为强大、采集速度更高、性能更好的嵌入式芯片经过了一个不断探索的漫长过程1。在性能好、高速度数据信息采集实现方面，国内外基于现场可编程逻辑门阵列的中、低端数据采集系统使用较多的采样率通常在1 0 0 K S P S 2 5 0 M S P S 之间，高端数据采集系统中系统最高采样率能可达到4 G S P S n0。，也就是说，由现场可编程逻辑门阵列和A D 转换器的组成的系统采样率的量级已经到达了G H z。1 1 2 研究意义黑龙江大学硕士学位论文早期数据采集系统一般是由功能简单的芯片搭建的，采集速率和精度都不高，采集过程复杂，需要数模转换器、信息存储设

15、备和附加电路配合才能完成采集工作1。尤其是像单片机或D S P 这种传统意义上的芯片受到本身缺点限制，注定不能在这个领域走的太远，单片机本身的指令周期以及其处理速度等因素的影响，单片机难以达到高速数据采集系统的要求，不能满足实际高速采集的需要；由D S P组建的数据采集系统在运算速度比起由单片机组成的数据采集系统要快的多，在处理复杂的运算上也要优于单片机，可他对外围设备复杂硬件逻辑控制却很难实现。另外，单片机和D S P 的各种功能需有软件环境才能实现，同一功能下，软件执行的速度和效率要远远低于硬件，而且软件运行需要的时间一般都很长n 2。1 引。现场可编程逻辑门阵列（F P G A）在八十年

16、代中期在P A L、G A L 和E P L D 等可编程器件的基础上发展起来的一种体积小、速度高、可编程逻辑器件，当现场可编程逻辑门阵列出现在数据信息采集领域后，现场可编程逻辑门阵列在数据采集系统中逐渐取缔了单片机和D S P 等传统芯片。究其原因是，现场可编程逻辑门阵列本真的控制逻辑都可由硬件完成，而且具有速度快和效率高的优点，在高数据量的高速传输控制上有着传统芯片无法比拟的优势，用现场可编程逻辑门阵列来实现数据信息采集可以很好地解决和速度问题n 1 6 1。由构成的数据采集系统在系统修改、测试以及系统升级上更方便、更快捷、灵活性更高，这是因为，我们可以将需要的硬件数字电路通过编程配置现场可编程逻辑门阵列芯片来实现，这样不但能降低我们的设计费用，缩短我们的设计周期，还能使设计更方便灵活n 卜1 8 1。调研机构G a r m e r 在2 0 1 0 年初时对现场可编