基于FPGA 的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王丹琦，吳 毅，甘曉炫

（1.新疆師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091）

數(shù)據(jù)采集就是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后送入單片機(jī)中進(jìn)行處理，而對A/D轉(zhuǎn)換器的啟動，數(shù)據(jù)的讀取，數(shù)據(jù)的傳輸都是靠MCU（單片機(jī)）執(zhí)行指令來完成的。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種型號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能越來越高，而與密切相連的單片機(jī)因其時鐘頻率較低，很難滿足數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性和同步性[1]，因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)速度的不匹配，大大影響了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效率，這就要求能有一個讀取數(shù)據(jù)并且暫存數(shù)據(jù)的接口電路，來作為二者連接的橋梁，為此，基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2-3]的研究顯得極為重要。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由信號調(diào)理通路、數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊、數(shù)據(jù)存儲與控制模塊組成。自行設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Diagram of the system hardware

信號調(diào)理模塊是對兩路輸入信號進(jìn)行調(diào)理的電路。輸入信號1是頻率為f1的正弦交流信號，先經(jīng)過整形電路，變?yōu)閿?shù)字時鐘信號CLK，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX118，作為MAX118的外部時鐘輸入信號，控制數(shù)模轉(zhuǎn)換的速率。另一路輸入信號2為采樣輸入信號，可以是直流信號或是交流信號。當(dāng)作為交流信號輸入時，其頻率f2是輸入信號1頻率f1的1/N倍。N值的大小就是輸入信號2在一個周期內(nèi)采樣點(diǎn)的數(shù)量。輸入信號2經(jīng)過調(diào)理電路處理后，就可以成為滿足MAX118輸入條件的信號。

將滿足MAX118輸入條件的信號2送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的任一輸入通道中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量（輸入信號）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

本系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)主要包括雙端口寄存器模塊和計(jì)數(shù)器模塊，以及一些與MAX118和MCU連接的邏輯控制。FPGA在電路中，一邊與MAX118接口，一邊與MCU接口，完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲的工作。在轉(zhuǎn)換過程中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX118的啟動和讀取，復(fù)位等控制功能均由FPGA完成。數(shù)據(jù)采集完畢后，F(xiàn)PGA與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸控制指令也是由FPGA發(fā)出并完成的。

電源部分由＋9 V電源供給，F(xiàn)PGA的電源分別為3．3 V和1．5 V，是用專用電源芯片轉(zhuǎn)換得到，同時還轉(zhuǎn)換得到5 V電源供單片機(jī)和MAX118使用，電源的輸入電流最大3 A，但不應(yīng)小于2 A，因?yàn)榇笕萘康腇PGA在大負(fù)荷和資源使用較多時需要的電流較大，此電源的功率可以滿足正常使用，不會出現(xiàn)功率不夠而使芯片無法正常工作的情況。

2 核心器件工作原理分析

2.1 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX118

MAX118是美國Maxim公司推出的低功耗、8位8通道的高速 A/D轉(zhuǎn)換器[4]，精度小于1LSB，采樣速率達(dá)到1．2 Msps。本方案采用讀模式進(jìn)行采樣，可以設(shè)計(jì)出模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作在MODE0模式下與FPGA硬件接口電路，通過對引腳的計(jì)數(shù)，來讀取數(shù)據(jù)。

2.2 現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）及單片機(jī)（MCU）

本系統(tǒng)的控制器件由FPGA和單片機(jī)兩部分組成，在MCU+FPGA組成的電路系統(tǒng)中，單片機(jī)主要負(fù)責(zé)控制，而FPGA主要完成數(shù)據(jù)的采集和處理．所謂的控制，一方面是單片機(jī)直接控制外部電路，另一方面是在FPGA內(nèi)部自己來寫時序電路，滿足單片機(jī)的讀寫等時序，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與FPGA聯(lián)合控制本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

現(xiàn)場可編程門陣列選用Altera的Cyclone系列的EP1C 6Q240C8，與之相連接的單片機(jī)選擇使用89C52或者52以上的單片機(jī)主芯片[5]，這主要是為了高速的串口通信考慮。

3 FPGA邏輯設(shè)計(jì)

3.1 FPGA接口電路

FPGA在整個硬件電路中負(fù)責(zé)在MAX118和MCU之間的緩沖與控制[6－7]。對于A/D來說，F(xiàn)PGA的主要作用是控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX118的啟動和轉(zhuǎn)換，并暫存采樣的數(shù)據(jù)，通過其內(nèi)部設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器，完成采樣信號一個周期內(nèi)采樣數(shù)量的控制。對于單片機(jī)來說，當(dāng)FPGA完成信號一個周期的采樣后，向單片機(jī)申請中斷，由單片機(jī)完成對數(shù)據(jù)的讀取以及對FPGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器的復(fù)位等工作。

自行設(shè)計(jì)的硬件連接圖如圖2所示。

下面根據(jù)圖2來具體說明采樣過程。

1）MAX118工作過程

圖2 MAX118與FPGA及MCU的硬件連接圖Fig．2 MAX118 and FPGA and MCU hardware connection diagram

要把輸入信號送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX118，必須通過設(shè)置其A0，A1，A2 3個引腳來選擇輸入信號的通道，當(dāng)A0，A1，A2 3個引腳都為低時，選中通道1，此時，輸入信號被送入A/D中。并將外部時鐘信號CLK同時送入MAX118及FPGA中，保證二者同時被啟動。MAX118的MODE引腳被置低，工作在讀模式，至此，A/D可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，8位數(shù)據(jù)從D0～D7引腳讀出。

2）FPGA 控制過程

假設(shè)外部時鐘信號CLK的頻率f1是輸入信號頻率f2的32倍，輸入信號在一個周期內(nèi)將被采樣32個點(diǎn)。當(dāng)FPGA檢測[8]到時鐘信號CLK的上升沿時，開始從MAX118的數(shù)據(jù)輸出端口D0～D7讀數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)放入FPGA的寄存器中。同時，F(xiàn)PGA的計(jì)數(shù)單元開始對MAX118的INT計(jì)數(shù)，根據(jù)對MAX118時序的分析，每進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，INT都被拉低一次，那么當(dāng)采樣完一個周期的32個點(diǎn)后，INT也被計(jì)數(shù)了32次。此時，由FPGA給單片機(jī)一個中斷信號，單片機(jī)通過FPGA內(nèi)部設(shè)置的地址譯碼器開始對其存儲器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，而FPGA則處于等待狀態(tài)。當(dāng)讀取結(jié)束后，單片機(jī)通過P1．0引腳給FPGA一個復(fù)位信號，將其內(nèi)部計(jì)數(shù)器清零，然后再開始讀取下一個周期的數(shù)據(jù)，如此循環(huán)，周而復(fù)始。

3.2 FPGA邏輯設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用Verilog－HDL硬件描述語言進(jìn)行邏輯代碼設(shè)計(jì)，在QuartusⅡ[9]開發(fā)環(huán)境下，根據(jù)需求編寫源代碼，來完成分析綜合，適配，仿真等工作，最后將生成的pof文件下載到FPGA中。

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果分析

4.1 直流信號采集效果

首先，輸入一個直流信號進(jìn)行采集，來分析采集系統(tǒng)的正確度[10]。

設(shè)輸入信號1頻率f1=160 kHz，經(jīng)過整形電路變?yōu)橐粋€方波信號，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時鐘信號。輸入信號2為一個直流信號，設(shè)其表達(dá)式為u=1 V，然后對輸入信號2進(jìn)行16個點(diǎn)的采樣，采樣數(shù)據(jù)如下表所示：

上表中的采樣值是經(jīng)過8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX118量化編碼后輸出的，需要經(jīng)過歸一化處理后，才能用正確度公式ε=x－x來分析，其中x表示測量的均值，x表示真實(shí)值。通過計(jì)算ε=0．03。MAX118是一個8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其基準(zhǔn)電壓為5 V，所以此模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率為5/28=0．02，也就是A/D引起的量化誤差為0．02。由此可見，系統(tǒng)誤差中，除了量化誤差外，還存在著別的誤差，這是由于電路中的噪聲干擾等因素引起的，是不可避免的。這個數(shù)據(jù)也表明，本設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度很高。

表1 直流采樣數(shù)值分析表Tab.1 DC sampling numerical analysis table

4.2 交流信號采集效果

現(xiàn)在，輸入一個交流信號來分析采集系統(tǒng)的精密度[10]。精密度反映在相同條件下，對某定值做多次測量，測量值分散的程度，通過測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差來衡量標(biāo)準(zhǔn)差越小，表示數(shù)據(jù)越集中。

圖3是由采樣系統(tǒng)輸出的測量值畫出的波形圖，采樣數(shù)據(jù)已經(jīng)作了歸一化處理。

觀察上圖，發(fā)現(xiàn)只有少數(shù)采樣點(diǎn)偏離實(shí)際值，二者的波形形狀基本吻合，說明數(shù)據(jù)采集是成功的。

如表2所示，為輸入正弦信號在一個周期內(nèi)的32個點(diǎn)實(shí)際值和采樣值數(shù)據(jù)。其中，采樣測量值已經(jīng)進(jìn)行了歸一化的處理。

圖3 輸入信號波形圖與采樣信號波形圖Fig.3 The input signal waveform figure and sampling signal waveform figure

表2 交流采樣數(shù)據(jù)分析表Tab.2 AC sampling numerical analysis table

經(jīng)過以上對系統(tǒng)正確度和精密度的分析，可以得出，本設(shè)計(jì)的正確度和精密度都很高，也就是說系統(tǒng)的準(zhǔn)確度很高。以上的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，充分說明了這個設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠正確的讀寫數(shù)據(jù)，穩(wěn)定且可靠。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用在線可編程的FPGA器件作為A/D和MCU的接口控制電路，完成了模擬信號的采集，與傳統(tǒng)的基于MCU的采集系統(tǒng)相比，具體采樣靈活，硬件電路簡單，實(shí)時性和同步性高等特點(diǎn)。測試數(shù)據(jù)表明，該設(shè)計(jì)能很好完成8位8通道的數(shù)據(jù)采集工作，采樣準(zhǔn)確度高，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

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