基于FPGA的高速多通道AD采樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/劉雨聰

高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要應(yīng)用于通信、儀器儀表及醫(yī)療設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。他對(duì)我國國防建設(shè)及科研工作的開展有著積極的促進(jìn)意義?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列具有著運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，與之相關(guān)的FPGA系統(tǒng)可以讓采集系統(tǒng)更好地滿足人們的需求。FPGA和AD設(shè)備采樣系統(tǒng)之間的有效連接，可以讓人們對(duì)系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換模塊的性能進(jìn)行分析與驗(yàn)證。

1　基于FPGA的高速多通道AD采樣系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

霍爾傳感器、濾波電路、AD采樣芯片和FPGA是基于FPGA的多通道數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)主要組成部分。以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以根據(jù)上位機(jī)的指令配置和實(shí)際需求，對(duì)實(shí)時(shí)采樣方式和高速采樣方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，與之相關(guān)的硬件電路具有數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)電橋平衡和狀態(tài)反饋功能等多種功能。在AD采樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)硬件電路的搭建方式建立在其整體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上。在需要被檢測(cè)的電流電壓進(jìn)入濾波電路以后，濾波電路會(huì)將電流電壓轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)，AD芯片會(huì)將經(jīng)由電路處理的模擬量信號(hào)傳入FPGA之中。

2　基于FPGA的高速多通道AD采樣系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1　AD采樣系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

AD7606是基于FPGA的高速多通道AD采樣系統(tǒng)中所常用的一種高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。這一設(shè)備具有著分辨率高、雙極性輸入效果好和具有多通道同步采樣能力的特點(diǎn)。芯片內(nèi)部的數(shù)字濾波器所具有的過采樣功能可以為信號(hào)的并行輸出及串行輸出提供保障。在AD采樣系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方面，狀態(tài)機(jī)編程方式是實(shí)現(xiàn)AD7606的時(shí)序控制的有效方式。根據(jù)一些學(xué)者的研究結(jié)果，系統(tǒng)的工作電壓可以被設(shè)定為3.3V，內(nèi)核電壓可以控制為1.2V。筆者經(jīng)過相關(guān)研究以后，對(duì)這一觀點(diǎn)持有肯定態(tài)度。JTAG配置模式也可以在AD采樣系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)過程中得到應(yīng)用。數(shù)字電位器與控制器相結(jié)合的方案可以應(yīng)用于自動(dòng)電橋的平衡控制。

2.2　AD采樣系統(tǒng)的時(shí)序程序設(shè)計(jì)

可編程邏輯控制器是應(yīng)用于數(shù)字電路狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的主要工具。狀態(tài)機(jī)對(duì)系統(tǒng)的高速性、可靠性和穩(wěn)定性有著較為重要的影響。相比于CPU系統(tǒng)所使用的按照指令逐條運(yùn)行的運(yùn)行方式，由狀態(tài)機(jī)構(gòu)成的硬件系統(tǒng)的工作速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CPU系統(tǒng)的工作效率。從FPGA高速采樣系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀來看，基于4通道時(shí)間交織的FPGA高速采樣系統(tǒng)已經(jīng)成為了學(xué)者較為關(guān)注的內(nèi)容。在對(duì)AD采樣系統(tǒng)的可靠性能進(jìn)行分析以后，我們可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)的應(yīng)用，具有讓狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)擺脫對(duì)軟件系統(tǒng)的依賴性的作用。CPU運(yùn)行軟件過程中出現(xiàn)的故障并不會(huì)對(duì)基于FPGA的高速多通道AD采樣系統(tǒng)的運(yùn)行效率構(gòu)成威脅。

數(shù)據(jù)讀取模塊是這一系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本系統(tǒng)中所使用的數(shù)據(jù)讀取模塊采用的是狀態(tài)機(jī)的形式。在完成CS信號(hào)線和RD信號(hào)線的時(shí)序設(shè)置以后，程序可以以BUSY信號(hào)所產(chǎn)生的中斷信號(hào)，對(duì)轉(zhuǎn)換狀態(tài)進(jìn)行確定。一般情況下，AD7606的轉(zhuǎn)換信號(hào)為CONVSTA信號(hào)和CONVSTB信號(hào)。在Verilog HDL硬件語言應(yīng)用于這系統(tǒng)的時(shí)序程序設(shè)計(jì)以后，人們可以利用狀態(tài)機(jī)控制采樣芯片的控制時(shí)序和讀取時(shí)序。狀態(tài)機(jī)方式在控制時(shí)序及讀取時(shí)序領(lǐng)域的應(yīng)用，有助于采樣速率及采樣穩(wěn)定性的提升。將讀取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于雙口RAM的設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用，具有著提升效率的作用。

2.3　AD采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

AD采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與以下因素之間有著較為密切的聯(lián)系：

（1）ADC控制模塊的建構(gòu)；

（2）存儲(chǔ)器模塊的設(shè)計(jì)；

（3）自動(dòng)電橋平衡模塊、指令識(shí)別模塊及數(shù)據(jù)識(shí)別模塊的建構(gòu)。

數(shù)字濾波技術(shù)是ADC控制模塊數(shù)據(jù)輸出環(huán)節(jié)所不可缺少的技術(shù)。中值濾波法和滑動(dòng)平均濾波法的應(yīng)用，有助于降低隨機(jī)干擾和脈沖干擾對(duì)濾波效果的影響。存儲(chǔ)器模塊具有著實(shí)現(xiàn)高速存儲(chǔ)和低速讀取的作用。閉環(huán)反饋控制原理在自動(dòng)電橋平衡模塊中的應(yīng)用，可以為系統(tǒng)構(gòu)建一種自動(dòng)化、快速化的電橋平衡調(diào)節(jié)體系。指令識(shí)別模塊和數(shù)字識(shí)別模塊等模塊有助于選擇向上位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)的類型及數(shù)據(jù)來源。

3　基于FPGA的高速多通道AD采樣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1　數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)

數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證AD采樣系統(tǒng)的系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)過程信號(hào)發(fā)生器為主要信號(hào)源，試驗(yàn)過程中所應(yīng)用的三角波、方波及正弦波的幅值分別為±1V、±2V和±3V。系統(tǒng)所接入的穩(wěn)壓源的恒定電壓值為4V。在以200Hz的頻率借助上位機(jī)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以后，我們可以發(fā)現(xiàn)，基于FPGA的多通道高精度AD采樣系統(tǒng)具有完成實(shí)時(shí)采樣頻率為2.88kHz及高速采樣91.5kHz的數(shù)據(jù)采集的能力。

3.2　采樣系統(tǒng)準(zhǔn)確率測(cè)試

在采樣系統(tǒng)準(zhǔn)確率測(cè)試環(huán)節(jié)，相關(guān)人員將Altera公司生產(chǎn)的EP2C35F672型FPGA設(shè)備應(yīng)用于可編程邏輯控件之中，Tektronixs公司生產(chǎn)的AFG3052C型波形發(fā)生器應(yīng)用于AD采樣系統(tǒng)之中。假設(shè)采樣系統(tǒng)的采樣周期為4μs，波形發(fā)射器所產(chǎn)生的信號(hào)幅值在-10V至+10V之間。采樣系統(tǒng)的采樣理論值與采樣實(shí)際結(jié)果之間的最大誤差僅為0.1%，這一試驗(yàn)結(jié)果表明基于FPGA的多通道高精度AD采樣系統(tǒng)在采樣系統(tǒng)穩(wěn)定性及誤差性方面達(dá)到了規(guī)定要求。

4　結(jié)論

霍爾傳感器、濾波電路、AD采樣芯片和FPGA是基于FPGA的多通道數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)主要組成部分。這一系統(tǒng)所具有的誤差值低、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，可以讓其在未來一段時(shí)期內(nèi)具有較為廣闊的應(yīng)用前景。