大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 目錄1高速數(shù)據(jù)采集的當(dāng)前背景11.1研究背景及其目的意義11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3課題及主要任務(wù)32 高速數(shù)據(jù)采集的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)42.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成42.2模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程52.3數(shù)據(jù)采樣技術(shù)82.3.1并行采樣技術(shù)82.3.2 時(shí)鐘頻率合成技術(shù)92.4 高速數(shù)據(jù)采集102.4.1 分時(shí)存儲(chǔ)102.4.2 數(shù)據(jù)降速存儲(chǔ)113高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案123.1 單片機(jī)控制的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)123.2 多路分時(shí)采集合成高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)143.3 基于mcu+fpga組合的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)173.4基于dsp和ads8364的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)184 高速

2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案分析比較235 心得體會(huì)256 參考文獻(xiàn)261高速數(shù)據(jù)采集的當(dāng)前背景隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷提高, 計(jì)算機(jī)業(yè)的發(fā)展也日益迅速，作為其中重要組成部分的單片機(jī)，以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越深受各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注和重視，應(yīng)用十分廣泛，發(fā)展極快。單片機(jī)也就是把組成計(jì)算機(jī)的五大部件集成在一塊芯片上，即在一塊芯片上集成了：cpu、振蕩器電路、rom和ram存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和并行/串行i/o接口等，一塊芯片就構(gòu)成一臺(tái)具有一定功能的計(jì)算機(jī)，稱為單片微型計(jì)算機(jī)。由于單片機(jī)就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，因此它具有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，即體積小、重量輕、單一電源、低功耗。功能強(qiáng)、價(jià)格廉，運(yùn)算速度快、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等

3、。所以單片機(jī)特別適用于實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，已成為傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造，各類產(chǎn)品更新?lián)Q代，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的理想機(jī)型。在國(guó)內(nèi)，盡管開(kāi)發(fā)與應(yīng)用單片微機(jī)的時(shí)間不長(zhǎng)，但在mcs-48系列單片微機(jī)的基礎(chǔ)上，很快就已開(kāi)發(fā)和應(yīng)用功能更強(qiáng)、更完善的8位高檔mcs-51系列單片微機(jī)，且成效顯著。目前已廣泛而成功地應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)控、智能儀表、各類設(shè)備、軍事裝置以及家用電器、社會(huì)用品等各個(gè)方面，大大促進(jìn)了我國(guó)四個(gè)現(xiàn)代化的進(jìn)程1。1.1研究背景及其目的意義近年來(lái)，數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用受到了人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有了迅速的發(fā)展，它可以廣泛的應(yīng)用于各種領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于20世紀(jì)50年代，1956年

4、美國(guó)首先研究了用在軍事上的測(cè)試系統(tǒng)，目標(biāo)是測(cè)試中不依靠相關(guān)的測(cè)試文件，由非成熟人員進(jìn)行操作，并且測(cè)試任務(wù)是由測(cè)試設(shè)備高速自動(dòng)控制完成的。由于該種數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測(cè)試任務(wù)，因而得到了初步的認(rèn)可。大概在60年代后期，國(guó)內(nèi)外就有成套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和系統(tǒng)多屬于專用的系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代后期，隨著微型機(jī)的發(fā)展，誕生了采集器、儀表同計(jì)算機(jī)溶為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過(guò)了傳統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因而獲得了驚人的發(fā)展。從70年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中逐漸分為兩類，一類是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一類是

5、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展，開(kāi)始出現(xiàn)了通用的數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類，一類以儀表儀器和采集器、通用接口總線和計(jì)算機(jī)組成。這類系統(tǒng)主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也有一定的應(yīng)用。第二類以數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)總線和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，這一類在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多。20世紀(jì)80年代后期，數(shù)據(jù)采集發(fā)生了很大的變化，工業(yè)計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和大規(guī)模集成電路的組合，用軟件管理，是系統(tǒng)的成本減低，體積變小，功能成倍增加，數(shù)據(jù)處理能力大大加強(qiáng)。20世紀(jì)90年代至今，在國(guó)際上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功的運(yùn)用到軍事、航空電子設(shè)備及宇航技

6、術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（das）。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，通過(guò)簡(jiǎn)單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)，迅速組成一個(gè)新的系統(tǒng)。盡管現(xiàn)在以微機(jī)為核心的可編程數(shù)據(jù)采集與處理采集技術(shù)的發(fā)展方向得到了迅速的發(fā)展，而且組成一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需要一塊數(shù)據(jù)采集卡，把它插在微機(jī)的擴(kuò)展槽內(nèi)并輔以應(yīng)用軟件，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，但這并不會(huì)對(duì)基于單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生影響。相較于數(shù)據(jù)采集板卡成本和功能的限制，單片機(jī)具多功能、高效率、

7、高性能、低電壓、低功耗、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，而雙單片機(jī)又具有精度較高、轉(zhuǎn)換速度快、能夠?qū)Χ帱c(diǎn)同時(shí)進(jìn)行采集，因此能夠開(kāi)發(fā)出能滿足實(shí)際應(yīng)用要求的、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、可靠性高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這就使得以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過(guò)采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行分析、處理、傳輸、顯示、存儲(chǔ)和顯示。它起始于20世紀(jì)中期，在過(guò)去的幾十年里，隨著信息領(lǐng)域各種技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)據(jù)采集方面的技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，采集數(shù)據(jù)的信息化是目前社會(huì)的發(fā)展主流方向。各種領(lǐng)域都用到了數(shù)據(jù)采集，在石油勘探、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、飛機(jī)飛行、地震數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用。

8、我國(guó)的數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)主要采用tde-124c型tde-224c型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。近年來(lái)，又成功研制了動(dòng)態(tài)范圍更大、線性度更高、兼容性更強(qiáng)、低功耗可靠性的tde-324c型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)采集對(duì)拾震計(jì)輸出的電信號(hào)模擬放大后送至a/d數(shù)字化，a/d采用同時(shí)采樣，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)dsp數(shù)字濾波處理后，變成數(shù)字地震信號(hào)。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備24位a/d轉(zhuǎn)化位數(shù)，采樣率有50hz、100hz、200hz。由美國(guó)pasco公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”是將數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的嶄新系統(tǒng)，它由3部分組成：（1）傳感器：利用先進(jìn)的傳感技術(shù)可實(shí)時(shí)采集技術(shù)可實(shí)時(shí)采集物理實(shí)驗(yàn)中各物理量的數(shù)據(jù)；（2）計(jì)算機(jī)接口：將來(lái)

9、自傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，采樣速率最高為25萬(wàn)次/s；（3）軟件：中文及英文的應(yīng)用軟件。受需求牽引，新一代機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為滿足飛行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用也在快速地發(fā)展。如愛(ài)爾蘭acra公司2000年研發(fā)推出的新一代kam500機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到了2006年。本系統(tǒng)采用16位（a/d）模擬數(shù)字變換，總采樣率達(dá)500k/s,同步時(shí)間為+/-250ns，可以利用方式組成高達(dá)1000通道的大容量的分布式采集系統(tǒng)。1.3課題及主要任務(wù)數(shù)據(jù)采集是數(shù)字信號(hào)處理的前提，研究和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就顯得尤為重要。本課程設(shè)計(jì)題要求學(xué)生在廣泛查閱資料的基礎(chǔ)上，對(duì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行分類和比較，并作如下設(shè)計(jì)：1） 搜索出若干

10、種高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案并對(duì)它們進(jìn)行分析和比較。2） 設(shè)計(jì)出一款高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。3） 對(duì)所設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行分析。4） 給出系統(tǒng)（或部分）的仿真。2 高速數(shù)據(jù)采集的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)據(jù)采集是指將模擬量（模擬信號(hào)）采集，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（數(shù)字信號(hào)）后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或輸出過(guò)程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)das(data acquisition system)是模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換接口。它在自動(dòng)測(cè)試、生產(chǎn)控制、通信、信號(hào)處理等領(lǐng)域占有極其重要的地位。而高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更是航天、雷達(dá)、制導(dǎo)、測(cè)控、動(dòng)態(tài)檢測(cè)等高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采樣頻率一般在幾十mhz到幾百mhz

11、。 2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理通道、采樣保持器、a/d轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)緩存電路、微處理器及外設(shè)構(gòu)成。如圖1所示。圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成（1）傳感器傳感器把待測(cè)的非電物理量轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠檢測(cè)的電信號(hào)。理想的傳感器能夠?qū)⒏鞣N被測(cè)量轉(zhuǎn)換為高輸出電平的電量，提供零輸出阻抗，具有良好的線性。（2）信號(hào)調(diào)理通道信號(hào)調(diào)理通道主要完成了模擬信號(hào)的放大和濾波等功能。理想的傳感器能夠?qū)⒈粶y(cè)量轉(zhuǎn)換成高輸出電平的電量，但是實(shí)際情況下，數(shù)據(jù)采集時(shí)，來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)一般都是比較弱的低電平信號(hào)，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。而a/d轉(zhuǎn)換器的分辨率以滿量程電壓為依據(jù)，因此為了充分

12、利用a/d轉(zhuǎn)換器的分辨率，需要把模擬輸入信號(hào)放大到與其滿量程電壓相應(yīng)的電平。而傳感器和電路中器件不可避免的會(huì)產(chǎn)生噪聲，周圍各種各樣的發(fā)射源也會(huì)使信號(hào)混合上噪聲，因此需要利用濾波器衰減噪聲以提高輸入信號(hào)的信噪比。（3）采樣保持器a/d轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，而在轉(zhuǎn)換期間希望a/d轉(zhuǎn)換器輸入端的模擬信號(hào)電壓保持不變，才能保證正確的轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率較高時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，為了防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在a/d轉(zhuǎn)換器開(kāi)始轉(zhuǎn)換之前將信號(hào)的電平保持，轉(zhuǎn)換之后又能跟蹤輸入信號(hào)的變化，保證較高的轉(zhuǎn)換精度。為此，需要利用采樣保持器來(lái)實(shí)現(xiàn)。（4）a/d轉(zhuǎn)換器模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后，才能利用微

13、處理系統(tǒng)對(duì)其處理。因此a/d轉(zhuǎn)換器是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，也是影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣速率和精度的主要因素之一。對(duì)于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要有逐次逼近型、并行比較型(閃爍型)等分級(jí)型(半閃爍型)等幾種電路結(jié)構(gòu)。高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部一般都集成了采樣保持器和多路數(shù)據(jù)分配器，以保證采樣的精度和降低后續(xù)存儲(chǔ)器的要求。（5）數(shù)據(jù)緩存電路對(duì)于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集量化后的數(shù)據(jù)速率非常高而且數(shù)量大，微處理系統(tǒng)無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，因此需要存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。緩存區(qū)是以高速方式接收從ad轉(zhuǎn)換數(shù)字化的數(shù)據(jù)，而又以相對(duì)低速的方式將數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)。用它的“快進(jìn)慢出”來(lái)解決高速ad轉(zhuǎn)換與低速計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸之間的矛盾。（6

14、）微處理器和外設(shè)微處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的管理和控制工作，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，然后送到外部設(shè)備。2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通常分成三個(gè)步驟進(jìn)行。這就是采樣保持、量化與編碼。連續(xù)的模擬信號(hào)x(t)按一定時(shí)間間隔采樣-保持后得到臺(tái)階信號(hào)，在經(jīng)過(guò)量化變?yōu)榱炕盘?hào)，最后編碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)x(n)。在現(xiàn)代adc器件中，這三個(gè)步驟一般合起來(lái)在一個(gè)器件中完成。轉(zhuǎn)換過(guò)程可以用圖2表示：圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程（1）采樣保持所謂采樣就是不斷地以固定的時(shí)間間隔采集模擬信號(hào)當(dāng)時(shí)的瞬時(shí)值。由抽樣定理可知，用數(shù)字方式處理模擬信號(hào)時(shí)，并不是用在整個(gè)作用期間的無(wú)窮多個(gè)點(diǎn)的值，而是只用取樣點(diǎn)上的值就足夠了。

15、因此，在前后兩次取樣的空擋時(shí)間間隔內(nèi)，可將取樣所得模擬信號(hào)值暫時(shí)存放在存儲(chǔ)介質(zhì)上，通常是電容器上，以便將它量化和編碼。其過(guò)程如圖3所示。圖3采樣保持過(guò)程模擬輸入信號(hào)x(t)經(jīng)取樣一保持后的波形。圖3中清楚的表明了取樣保持的物理意義。是取樣過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，稱為孔徑時(shí)間。在孔徑時(shí)間內(nèi)，以=x(t)，在保持時(shí)間內(nèi)保持不變，這段時(shí)間就用來(lái)作量化和編碼。2）量化與編碼量化就是把一個(gè)連續(xù)函數(shù)的無(wú)限個(gè)數(shù)值的集合映射為一個(gè)離散函數(shù)的有限個(gè)數(shù)值的集合。模擬信號(hào)x(t)經(jīng)理想抽樣后變成離散時(shí)間序列x(nts)，而x(nts)的值是原模擬信號(hào)在各采樣點(diǎn)的精確值，其取值是連續(xù)分布的，但是ad變換中表示x(nts)用的

16、是有限字長(zhǎng)的二進(jìn)制數(shù)，所謂量化就是指用一些不連續(xù)的數(shù)來(lái)逼近精確采樣值的過(guò)程。因此量化過(guò)程中必然存在誤差，這種誤差稱為量化誤差。在數(shù)學(xué)上，量化過(guò)程可以表示為，k=1,2,l其中，x為待量化輸入數(shù)值，稱為量化值(或量化電平)，稱為分層電平(或判決閥值)，l稱為量化級(jí)數(shù)(或分層數(shù))，稱為量化間隔(或量化臺(tái)階)。對(duì)于均勻量化，量化間隔為常量，即=q(k=1，2，l)。則有其中，為滿量程電壓(full scale range)，n為量化后數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)。編碼就是用一定位數(shù)的二進(jìn)制碼(稱為一個(gè)碼字)來(lái)表示某一量化值。2.3數(shù)據(jù)采樣技術(shù)按照奈奎斯特采樣定理，任意一個(gè)最高頻率為fm的模擬信號(hào)，只有滿足條

17、件采樣周期t1/2fm，才能夠用間隔時(shí)間為t的一系列離散取樣值來(lái)代替它，而不會(huì)丟失該信號(hào)的任何信息，理論上可以精確地重建原信號(hào)。需要指出的是，如果用2倍奈奎斯特頻率采樣2fm，則必須使用截止頻率為fm的理想低通濾波器才能恢復(fù)原來(lái)的模擬信號(hào)，如果采樣頻率大于2倍奈氏頻率，那么就可以放寬對(duì)低通濾波器截至頻率的要求。數(shù)字化采樣方式主要有實(shí)時(shí)采樣和等效采樣兩種，而等效采樣又分為順序采樣和隨機(jī)采樣兩種。實(shí)時(shí)取樣的原則是從數(shù)字化一開(kāi)始，就按照一個(gè)固定的次序來(lái)采集的，一直將整個(gè)波形采樣完畢后存入波形存儲(chǔ)器中。實(shí)時(shí)采樣的優(yōu)點(diǎn)在于信號(hào)波形一到就采樣，因此適合任何形式的信號(hào)波形，周期的或者非周期的，單次的或者是連

18、續(xù)信號(hào)。又由于所有的采樣點(diǎn)是以信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間為順序的，因此利于波形的顯示處理。順序取樣是指在被測(cè)信號(hào)的周期內(nèi)取樣一次，取樣信號(hào)每次延遲t時(shí)間，如此下去，就是說(shuō)第n次采樣發(fā)生在第一次采樣后的（t一l）n后，取樣后的離散數(shù)字信號(hào)構(gòu)成的包絡(luò)反映原信號(hào)的波形，但包絡(luò)的周期比原信號(hào)的周期長(zhǎng)的多，相當(dāng)于把被測(cè)信號(hào)在時(shí)間軸拉長(zhǎng)了。順序采樣不能采樣非周期信號(hào)。隨機(jī)取樣不是在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)完成全部取樣過(guò)程，而是取樣點(diǎn)分別取自若干個(gè)信號(hào)波形的不同位置，經(jīng)過(guò)多個(gè)采集周期的樣品積累，最終恢復(fù)出被測(cè)波形。但是隨機(jī)取樣也存在著弊端，不能觀測(cè)非周期信號(hào)。2.3.1并行采樣技術(shù)系統(tǒng)的采樣率為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最關(guān)心的指標(biāo)，

19、其實(shí)現(xiàn)依賴于核心芯片a/d的工作頻率，對(duì)于高采樣率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，利用單片高速a/d轉(zhuǎn)換芯片是最為常見(jiàn)的方式，其實(shí)現(xiàn)也較為簡(jiǎn)單，但是由于高速a/d的價(jià)格昂貴，而且由于高采樣率的a/d的分辨率往往不高，因此對(duì)于高采樣率和高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，基于并行采樣利用多片低采樣率a/d實(shí)現(xiàn)高采樣率是可以降低高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的成本，對(duì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有著重要的意義。利用多片低采樣率的a/d轉(zhuǎn)換器并行工作實(shí)現(xiàn)高采樣率有兩種方式。一種是采用延遲線的方式，另一種是采用時(shí)間并行交替采樣的方式。所謂延遲線的方式，是指將輸入信號(hào)直接送入系統(tǒng)的一個(gè)通道，同時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)延遲線后依次送入另外的n一1通道，信

20、號(hào)進(jìn)入每個(gè)通道的延遲時(shí)間為a/d轉(zhuǎn)換器采樣周期的t的1/n，各通道a/d的采樣時(shí)鐘相同，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，這樣就提高了系統(tǒng)的采樣率。但是對(duì)輸入信號(hào)做精確延時(shí)比較困難，特別在通道非常多的情況下，因此，目前主要采用并行時(shí)間交替采樣的方式。并行時(shí)間交替采樣，是指將輸入信號(hào)同時(shí)送到多個(gè)通道，a/d轉(zhuǎn)換器按照各自的采樣時(shí)鐘工作，整個(gè)系統(tǒng)的采樣率為多片a/d采樣率的總和。n片a/d并行時(shí)間交替采樣構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，輸入信號(hào)同時(shí)到達(dá)每片a/d的輸入端。每片a/d的采樣率為fs，采樣周期為t=1/sf，每片a/d采樣時(shí)間間隔為采樣時(shí)鐘周期t的1/n。整個(gè)系統(tǒng)的采樣率為n片a/d的采樣率的總和，等于nfs

21、，實(shí)現(xiàn)了多片低速a/d并行工作實(shí)現(xiàn)高采樣率。圖4 多通道并行時(shí)間交替采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3.2 時(shí)鐘頻率合成技術(shù) 對(duì)于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣時(shí)鐘的相位抖動(dòng)以及分辨率是非常重要的指標(biāo)。采樣時(shí)鐘的相位抖動(dòng)將會(huì)造成采樣的非均勻，而時(shí)鐘分辨率過(guò)低將無(wú)法滿足系統(tǒng)的要求。因此，如何得到高質(zhì)量的采樣時(shí)鐘是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常關(guān)心的問(wèn)題。 目前高性能的頻率信號(hào)均通過(guò)頻率合成技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。頻率合成的實(shí)現(xiàn)方法主要三種方式:直接模擬頻率合成法、間接頻率合成和直接數(shù)字頻率合成。直接模擬頻率合成法是一種早期的頻率合成方式，是指利用混頻器、倍頻器和分頻器等對(duì)一個(gè)或幾個(gè)頻率進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算產(chǎn)生所需頻率。直接模擬頻率合成法的優(yōu)點(diǎn)是頻

22、率轉(zhuǎn)換速度快，相位噪聲低，缺點(diǎn)是需要很多中心頻率不同的窄帶濾波器來(lái)濾除雜波，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雜散多。間接頻率合成技術(shù)又稱鎖相式頻率合成，它是利用鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率的加、減、乘、除。其優(yōu)點(diǎn)是由于鎖相環(huán)路相當(dāng)于一窄帶跟蹤濾波器。因此能很好地選擇所需頻率的信號(hào)，抑制雜散分量，避免了大量使用濾波器，十分有利于集成化和小型化。直接數(shù)字合成技術(shù)具有相位變換連續(xù)、頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高、相位噪聲低、頻率穩(wěn)定度高、集成度高、易于控制等多種優(yōu)點(diǎn)，但是dds（直接數(shù)字式頻率合成器）自身特點(diǎn)所造成的雜散以及頻率較低成為限制dds應(yīng)用的主要因素。目前，dds+pll的技術(shù)受到廣泛的重視，pll技術(shù)具有高頻率、寬頻、頻譜

23、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但其頻率轉(zhuǎn)換速度低。dds技術(shù)則具有高速頻率轉(zhuǎn)換能力、高度的頻率和相位分辨能力，但目前尚不能做到寬帶，頻譜純度也不如pll?；旌鲜筋l率合成技術(shù)利用這兩種技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)，將兩者結(jié)合起來(lái)，其基本思想是利用dds的高分辨率來(lái)解決pll中頻率分辨率和頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間的矛盾。2.4 高速數(shù)據(jù)采集2.4.1 分時(shí)存儲(chǔ)分時(shí)存儲(chǔ)技術(shù)利用一個(gè)高速鎖存器將采集的高速數(shù)據(jù)鎖存，而后利用多個(gè)相對(duì)慢速的存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。由于多個(gè)靜態(tài)存儲(chǔ)器分時(shí)參與了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的過(guò)程，使得多個(gè)慢速靜態(tài)存儲(chǔ)器分時(shí)存儲(chǔ)操作過(guò)程進(jìn)行了疊加，其效果等效于一個(gè)高速靜態(tài)存儲(chǔ)器的操作。其原理圖如下圖4所示。圖5 分時(shí)存

24、儲(chǔ)原理圖2.4.2 數(shù)據(jù)降速存儲(chǔ)所謂數(shù)據(jù)降速存儲(chǔ)技術(shù)，就是對(duì)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之前將高速數(shù)據(jù)的速度降低到低速存儲(chǔ)器可以及時(shí)存儲(chǔ)的程度。該方法避免了多個(gè)存儲(chǔ)器的使用，只需利用一個(gè)大容量的存儲(chǔ)器就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)分時(shí)存儲(chǔ)簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)中可以利用串并轉(zhuǎn)換電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降速處理以滿足后續(xù)的存儲(chǔ)器速度較低的要求。串并轉(zhuǎn)換電路的基本原理為數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)依次存入串行移位寄存器中，然后并行輸出，降低了傳輸數(shù)據(jù)的速度，以滿足存儲(chǔ)器工作速度的要求。這里以一個(gè)4位的移位寄存器對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明，如圖5。圖6串井轉(zhuǎn)換電路串并轉(zhuǎn)換電路由一個(gè)串行的移位寄存器和兩個(gè)并行的移位寄存器構(gòu)成，其高速時(shí)鐘由可以通過(guò)鎖相環(huán)pl

25、l提供，pll產(chǎn)生的高速時(shí)鐘在通過(guò)分頻電路得到4分頻的低速時(shí)鐘。串行移位寄存器在pll產(chǎn)生的時(shí)鐘的控制下，依次將接收到的數(shù)據(jù)依次存放在串行移位寄存器中，然后在計(jì)數(shù)電路產(chǎn)生的控制信號(hào)的作用下，將數(shù)據(jù)存入并行寄存器，而后在低速時(shí)鐘的控制下將數(shù)據(jù)送入下一個(gè)并行寄存器，最后送入后面的邏輯電路。這樣就實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)的正確存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)中根據(jù)數(shù)據(jù)的頻率選擇合適移位寄存器，以滿足設(shè)計(jì)的要求。3高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案3.1 單片機(jī)控制的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本系統(tǒng)主要由三部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)8751控制部分、計(jì)算器和存儲(chǔ)器部分、a/d轉(zhuǎn)換模塊。其硬件框圖如圖7所示。圖7 系統(tǒng)硬件框圖單片機(jī)控制部分包括地址和數(shù)據(jù)選擇器,本系

26、統(tǒng)采用內(nèi)置4kb eprom的8751單片機(jī)。其作用有:(1)負(fù)責(zé) a/d轉(zhuǎn)換過(guò)程的啟動(dòng)及完成控制;(2)對(duì)自動(dòng)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器內(nèi)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,也可通過(guò)串行口或并行接口傳給主機(jī)(如pc機(jī))作進(jìn)一步處理。地址選擇器和數(shù)據(jù)選擇器的功能是在單片機(jī)p1.0口線的控制下決定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址線和數(shù)據(jù)線連向何處。當(dāng) p1.0= 1時(shí),存儲(chǔ)器的地址信號(hào)來(lái)自計(jì)數(shù)器輸出, 數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)自a/d 轉(zhuǎn)換器;當(dāng) p1.0= 0時(shí),存儲(chǔ)器則成為8751的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器, 此時(shí)單片機(jī)可讀取其中的數(shù)據(jù)。計(jì)數(shù)器的作用是自動(dòng)產(chǎn)生16位存儲(chǔ)器地址信號(hào)以實(shí)現(xiàn)將a/d的轉(zhuǎn)換結(jié)果自動(dòng)按順序快速存放存儲(chǔ)單元中。該計(jì)數(shù)器為16位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器

27、,由四片 74ls161 四位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)構(gòu)成4,各片的異步清除端連在一起并由單片機(jī)p1.2腳控制。計(jì)數(shù)脈沖cp來(lái)自a/d 轉(zhuǎn)換模塊。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿時(shí),由其進(jìn)位信號(hào)向單片機(jī)int0申請(qǐng)中斷。該存儲(chǔ)器對(duì)a/d轉(zhuǎn)換器而言是只有寫入操作,用于存儲(chǔ) a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),而對(duì)單片機(jī)而言只有讀操作,即單片機(jī)只能讀取其中的數(shù)據(jù)而不能改寫其中的數(shù)據(jù)。a/d 轉(zhuǎn)換模塊是本系統(tǒng)的核心部分。其原理框圖如圖8所示。圖8 a/ d轉(zhuǎn)換模塊原理框圖圖中a/d 板是以高速 d/a 轉(zhuǎn)換器 dac0800為核心,加上其他電路,采用逐次逼近法構(gòu)成的 8 位a/d 轉(zhuǎn)換器,其構(gòu)成框圖如圖9所示。圖9 a/d 轉(zhuǎn)換時(shí)序圖

28、在啟動(dòng)信號(hào)start的下降沿,a/d轉(zhuǎn)換開(kāi)始,同時(shí)使busy信號(hào)為低電平,表明正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如在a/d 轉(zhuǎn)換過(guò)程中又按收到新的啟動(dòng)信號(hào),則重新開(kāi)始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成時(shí),busy變?yōu)楦唠娖? oe是三態(tài)鎖存器的輸出允許控制線,當(dāng)其為低電平時(shí),允許轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。該a/d 轉(zhuǎn)換器要求輸入的模擬信號(hào)電壓范圍為05v,完成一次a/d 轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.2 s。為了保證在a/d 轉(zhuǎn)換進(jìn)行被轉(zhuǎn)換信號(hào)幅度保持穩(wěn)定,將被轉(zhuǎn)換信號(hào)經(jīng)采樣保持器 shc5320處理后再送到a/d 轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)入端。shc5320是高速采樣/保持器,其采樣時(shí)間小于1.5 s,基本能滿足a/d 轉(zhuǎn)換速度的要求。由于其采樣/保持控制端是高電

29、平保持、低電平采樣,故使用中將a/d板的busy信號(hào)反相后接到該控制端,以保證在a/d為了能將每一次a/d 轉(zhuǎn)換的結(jié)果快速存于存儲(chǔ)器并同時(shí)啟動(dòng)下一次 a/d 轉(zhuǎn)換,特利用busy信號(hào)的上升沿(表示一次a/d 轉(zhuǎn)換已結(jié)束)去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1,該觸發(fā)器的反相輸出端q1接至 a/d 板的oe端以將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送至存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)線上,同時(shí)作為存儲(chǔ)器的寫控制信號(hào)wr,將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入當(dāng)前的存儲(chǔ)單元中。再用q1的后沿(上升沿) 觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器 2,其反相輸出q2一方面接到start以啟動(dòng)下次轉(zhuǎn)換,另一方面接計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端 cp,使計(jì)數(shù)器輸出加 1 以指向下一存儲(chǔ)單元,為存放下一轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。圖中 p1.

30、1是來(lái)自單片機(jī)的控制線,用于控制啟動(dòng)第一次a/d 轉(zhuǎn)換和停止轉(zhuǎn)換。上述的工作時(shí)序關(guān)系如圖4所示。從時(shí)序圖可見(jiàn),本系統(tǒng)在單片機(jī)控制啟動(dòng)第一次轉(zhuǎn)換后即可自動(dòng)完成啟動(dòng)- 轉(zhuǎn)換- 存儲(chǔ)- 啟動(dòng)的循環(huán)執(zhí)行過(guò)程,直到完成 64 kb的數(shù)據(jù)采集后向單片機(jī)申請(qǐng)中斷要求停止。3.2 多路分時(shí)采集合成高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本系統(tǒng)采用多路合成方案實(shí)現(xiàn)多路低速a/d合成一路高速a/d,減小了電路實(shí)現(xiàn)難度, 提高了系統(tǒng)工作的可靠性。采用內(nèi)存直接映射的接口方案, 實(shí)現(xiàn)采集擴(kuò)展存儲(chǔ)器在高速數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)間的共享;完成高速采樣數(shù)據(jù)向計(jì)算機(jī)的傳輸。本系統(tǒng)主要由三部分組成: 多路分時(shí)采集控制電路、高速a/d數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)電路、計(jì)算

31、機(jī)接口電路。其原理如圖10所示。圖10高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖如圖所示，本系統(tǒng)采用4 路62.5m sps a/d采樣存儲(chǔ)電路合成一路250m sps a/d 采樣存儲(chǔ)電路。由一個(gè)4 路分時(shí)采集控制器控制上述4 路a/d電路的采樣時(shí)序。該4 路62.5mhz采樣時(shí)鐘信號(hào)是由250mhz時(shí)鐘4分頻后得到。單路a/d采集存儲(chǔ)電路工作原理見(jiàn)圖11。圖11 單路a/d采集存儲(chǔ)電路工作原理a/d數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是存儲(chǔ)器共享。高速數(shù)據(jù)采集卡需要配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或擴(kuò)展存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)采取直接內(nèi)存映射的存儲(chǔ)器接口方式。即將擴(kuò)展存儲(chǔ)器的地址映射到系統(tǒng)的存儲(chǔ)地址空間中,作為系統(tǒng)存儲(chǔ)器的一部分直接使用。

32、這樣就實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展存儲(chǔ)器在高速數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)間的共享。高速adc在采樣脈沖en的控制下,對(duì)輸入模擬信號(hào)vin進(jìn)行采樣, 并轉(zhuǎn)換為8bit數(shù)字信號(hào)輸出到數(shù)據(jù)鎖存器; 同時(shí)地址計(jì)數(shù)器對(duì)采樣脈沖en計(jì)數(shù), 并將計(jì)數(shù)值作為存儲(chǔ)器地址信號(hào)輸出至地址鎖存器; 鎖存器將數(shù)據(jù)和地址信號(hào)同步后分別輸出到高速存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)端口和地址端口。存儲(chǔ)器的寫控制信號(hào)/e由時(shí)鐘信號(hào)en延時(shí)得到。雙向總線驅(qū)動(dòng)器245 在切換控制信號(hào)t的控制下實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展存儲(chǔ)器在高速數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)間的共享。切換控制脈沖t由地址計(jì)數(shù)器計(jì)滿后置低, 由計(jì)算機(jī)將ram 數(shù)據(jù)取走后置高。本系統(tǒng)采用pc兼容機(jī),內(nèi)存16m,內(nèi)存地址從000000hffff

33、ffh。其中從0d0000h0dffffh之間的64k內(nèi)存空間供用戶作映射內(nèi)存用。本系統(tǒng)將a/d采集卡的4 路采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器共64k作為計(jì)算機(jī)的映射內(nèi)存, 以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)a/d采集卡ram存儲(chǔ)器的讀寫操作。計(jì)算機(jī)接口電路如下圖12所示。圖12 計(jì)算機(jī)接口電路通過(guò)對(duì)pc機(jī)總線接口中的數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫控制線、i/o控制線進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娐方M合,構(gòu)成與a/d采集卡的接口電路。電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。虛線內(nèi)a/d采集卡電路中只畫出1路存儲(chǔ)器進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)切換控制脈沖t為高電平時(shí), 雙向驅(qū)動(dòng)器245關(guān)閉, 采樣存儲(chǔ)器切換到a/d采集卡控制。當(dāng)切換控制脈沖t為低電平時(shí), 雙向驅(qū)動(dòng)器245打開(kāi), 存儲(chǔ)器切換到由

34、計(jì)算機(jī)總線控制。pc機(jī)總線接口中的低14位地址線(a0-a 13)實(shí)現(xiàn)對(duì)單片存儲(chǔ)器的16k尋址;a14、a15地址線通過(guò)2- 4譯碼器對(duì)4路存儲(chǔ)器進(jìn)行片選;高8位地址線(a16- a23) 通過(guò)組合邏輯輸出控制2- 4譯碼器的開(kāi)斷,從而將采樣存儲(chǔ)器(1- 4)映射到pc機(jī)內(nèi)存的指定空間(0d0000h0dffffh)。同時(shí)pc機(jī)總線的8位數(shù)據(jù)線和讀寫信號(hào)線/mr、/mw 分別與存儲(chǔ)器的8位數(shù)據(jù)線和讀寫信號(hào)線/r和/w接通。此時(shí)存儲(chǔ)器完全由計(jì)算機(jī)控制讀寫。計(jì)算機(jī)對(duì)采樣存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的讀取通過(guò)i/o查詢方式實(shí)現(xiàn)。切換控制脈沖t作為查詢信號(hào), 與pc機(jī)低位數(shù)據(jù)線d0相連。pc機(jī)低10位地址線通過(guò)組合邏輯

35、指向某一選定的i/o地址, 當(dāng)軟件程序查詢?cè)搃/o口地址時(shí), 切換控制信號(hào)t 的數(shù)據(jù)被讀入計(jì)算機(jī)。讀入數(shù)據(jù)的d0 位為高時(shí), 繼續(xù)查詢。d0位為低時(shí), 計(jì)算機(jī)開(kāi)始對(duì)采樣存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、存儲(chǔ)等處理。3.3 基于mcu+fpga組合的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件總體框圖如圖13所示。圖13 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件總體框圖如圖所示，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理如下：系統(tǒng)上電完成初始化后，進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài)，直至mcu接收到啟動(dòng)信號(hào)后，向ad轉(zhuǎn)換器輸出工作時(shí)鐘，同時(shí)向6路高速采集模塊的fpga控制器發(fā)送采集允許指令，啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器，高速采集模塊將處于等待觸發(fā)信號(hào)的工作狀態(tài)。當(dāng)高速采集模塊收到比較觸發(fā)模塊發(fā)出

36、觸發(fā)信號(hào)后，相應(yīng)的fpga控制器將打開(kāi)數(shù)據(jù)寫入通道，向fifo緩沖區(qū)中連續(xù)寫入規(guī)定個(gè)數(shù)的ad采樣結(jié)果后自動(dòng)停止寫入，同時(shí)fpga控制器將記錄每次觸發(fā)時(shí)定時(shí)器的值。之后fpga控制器將進(jìn)入下一個(gè)等待觸發(fā)狀態(tài)中，直至收到下一個(gè)觸發(fā)信號(hào)后再次循環(huán)以上操作。其間mcu不斷檢查fifo緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)并通過(guò)fpga控制器將采樣結(jié)果和脈沖產(chǎn)生的時(shí)間寫入存儲(chǔ)器中。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要模塊功能說(shuō)明：（1）前端調(diào)理模塊對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行信號(hào)緩沖、放大，使信號(hào)不丟失。（2）ayd轉(zhuǎn)化模塊實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。（3）fpga模塊 對(duì)數(shù)字量進(jìn)行緩沖，同時(shí)對(duì)寫入緩沖模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，即要求對(duì)每一次觸發(fā)，寫入規(guī)定個(gè)數(shù)的ad

37、采樣結(jié)果，并將每次的觸發(fā)時(shí)刻追加到ad數(shù)據(jù)的尾部，第二次及以后的觸發(fā)，存儲(chǔ)方式與第一次相同。由于mcu(因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采用c8051f單片機(jī))對(duì)外部存儲(chǔ)器寫地址速度比較慢，同時(shí)fpga的緩沖模塊對(duì)讀數(shù)據(jù)的速度又有一定的要求，所以不能采用mcu內(nèi)部的時(shí)鐘頻率來(lái)寫地址，在本設(shè)計(jì)方案中，由fpga分頻出一個(gè)10mi-iz的頻率，送給mcu，這樣可以快速對(duì)外部存儲(chǔ)器寫地址。（4）mcu控制模塊本設(shè)計(jì)采用c8051f120單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制芯片，控制整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止，數(shù)據(jù)采集允許，數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。?）存儲(chǔ)器模塊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，包含ad采樣結(jié)果和觸發(fā)時(shí)刻。（6）電源模塊dc-dc模塊實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)化，給各芯

38、片提供合適的工作電壓。（7）時(shí)鐘模塊時(shí)鐘模塊給系統(tǒng)提供時(shí)鐘源，通過(guò)鎖相環(huán)可以分頻或倍頻出所需要的時(shí)鐘頻率。（8）指示模塊指示模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的指示，如電源指示等，讀數(shù)指示等等。（9）啟動(dòng)模塊啟動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)，當(dāng)按鈕按下時(shí)，啟動(dòng)電路工作，系統(tǒng)得到電平觸發(fā)，將立刻啟動(dòng)。3.4基于dsp和ads8364的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理模塊、a/d轉(zhuǎn)換模塊、dsp處理器模塊、cpld邏輯控制模塊和usb2.0通信模塊組成。它能夠在板卡上實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集及前端處理，并能通過(guò)usb總線與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、后端處理及顯示。采用cpld控制ads8364完成數(shù)據(jù)的a/d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)

39、換后的數(shù)據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)到fifo中，再經(jīng)dsp進(jìn)行前端的數(shù)字信號(hào)處理后，通過(guò)usb總線傳給上位機(jī)，并在上位機(jī)上進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和分析等。該系統(tǒng)完全可以滿足信號(hào)采集處理對(duì)高精度及實(shí)時(shí)性的要求。本數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要由前端信號(hào)調(diào)理電路、adc芯片ads8364、cpld芯片epm3128a、dsp芯片tms320f2812、usb芯片cy7c68013及其外圍電路組成。系統(tǒng)原理框圖如圖14所示。圖14 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)主要完成的任務(wù)為：dsp接收上位機(jī)通過(guò)usb總線發(fā)送的命令，完成系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)置，并通過(guò)模擬地址數(shù)據(jù)總線與cpld進(jìn)行通信，向cpld發(fā)送控制命令；對(duì)外部的多路模擬量輸入進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，在

40、cpld控制下進(jìn)行單通道或多通道a/d轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一片fifo芯片中；當(dāng)fifo中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)半滿時(shí)，對(duì)dsp產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，dsp收到此中斷信號(hào)后，取出fifo中的部分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行前端數(shù)字信號(hào)處理，將處理完畢的數(shù)據(jù)通過(guò)usb總線傳給上位機(jī)；上位機(jī)實(shí)現(xiàn)各種圖形界面操作和后端信號(hào)處理，對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行分析。系統(tǒng)可對(duì)輸入的多路模擬信號(hào)進(jìn)行同步采樣，這就使得采集到的數(shù)據(jù)不僅含有模擬信號(hào)的幅度特性，同時(shí)還保持不同模擬信號(hào)之間的相位差異；采樣頻率可以預(yù)置，以適應(yīng)不同速率的采樣要求。系統(tǒng)硬件包括信號(hào)調(diào)理模塊、a/d轉(zhuǎn)換模塊、dsp處理器模塊、cpld邏輯控制模塊以及usb通信模塊。（1）信號(hào)

41、調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)外部的多路模擬量輸入信號(hào)往往是微弱的傳感器信號(hào)，信號(hào)的幅值較小，為了方便且不失一般性，假定其幅值范圍為o25mv。ads8364待轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍應(yīng)保持在agnd-03v和avdd+o3v之間。這里選用低功率變?cè)鲆鎯x表放大器inal29對(duì)模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大，將其放大為05v之間。inal29是burr-browm公司的一種小功率通用儀表放大器，具有優(yōu)異的精度和很寬的帶寬，在增益高達(dá)100時(shí)，帶寬達(dá)200khz。它可用單一外部電阻器調(diào)節(jié)其增益，調(diào)節(jié)范圍為l10000，其放大倍數(shù)計(jì)算公式為：這里選擇，使得放大倍數(shù)為。從而使放大輸出電壓在o5v之間。信號(hào)調(diào)理模塊原理圖如圖

42、15所示。圖15 信號(hào)調(diào)理模塊原理圖（2） ad轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)該模塊采用了ti公司的高速、低功耗、六通道同步采樣模/教轉(zhuǎn)換器ads8364，它采用+5v工作電壓，其6個(gè)模擬輸入通道分為三組(a，b和c)，每組都有一個(gè)adcs保持信號(hào)(holda，holdb和holdc)，用來(lái)啟動(dòng)各組的aid轉(zhuǎn)換，6個(gè)通道可以進(jìn)行同步并行采樣和轉(zhuǎn)換。ads8364采用具有80db共模抑制能力的全差分輸入通道，將其refin和refout引腳接到一起，為差分電路提供25v的參考電壓。這里模擬量采用單端輸入，將-in端接共模電壓25v，+in端接前端信號(hào)調(diào)理模塊的輸出。ads8364的時(shí)鐘信號(hào)由外部提供，最高頻率為

43、5mhz，對(duì)應(yīng)的采樣頻率是250khz。這里由cpld提供時(shí)鐘信號(hào)，主要是考慮到cpld可以靈活地改變時(shí)鐘頻率，進(jìn)而改變系統(tǒng)的采樣頻率。ad轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)eoc。將ads8364的。byte引腳接低電平，使轉(zhuǎn)換結(jié)果以16位的方式輸出。地址/模式信號(hào)(a0，al，a2)決定ads8364的數(shù)據(jù)讀取方式，可以選擇的方式包括單通道、周期或fifo模式。將add引腳置為高電平，使得讀出的數(shù)據(jù)中包含轉(zhuǎn)換通道信息?？紤]到數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的采樣頻率一般較高，如果用dsp直接控制ads8364的訪問(wèn)，將占用dsp較多的資源，同時(shí)對(duì)dsp的實(shí)時(shí)性要求也較高。因此在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用cpld實(shí)現(xiàn)ads8

44、364的接口控制電路，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在fifo芯片中，用dsp實(shí)現(xiàn)fifo芯片的輸出接口。dsp、cpld、ads8364及fifo之間的接口設(shè)計(jì)如圖16所示。圖16 a/d模塊接口設(shè)計(jì)（3） dsp處理器模塊的設(shè)計(jì)dsp主要負(fù)責(zé)與usb通信模塊交換數(shù)據(jù)、以模擬地址/數(shù)據(jù)總線的方式與cpld通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集的控制，完成與fifo芯片的輸出接口以及對(duì)采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行前端數(shù)字信號(hào)處理(fir低通濾波)。這里選用ti公司的32位定點(diǎn)dsp tms320f2812 (以下簡(jiǎn)稱f2812)，它采用18v的內(nèi)核電壓，具有33v的外圍接口電壓，最高頻率150mhz，片內(nèi)有18k字的ram，128k字的

45、高速flash。（4）cpld邏輯控制模塊的設(shè)計(jì)在該數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中，cpld是一個(gè)重要的組成部分。由cpld組成的邏輯控制模塊接收dsp傳送過(guò)來(lái)的動(dòng)作命令，控制ad轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并提供對(duì)fifo的接口時(shí)序，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。這里選用altem公司的epm3128a芯片，它共有128個(gè)宏單元，2500個(gè)可用門。cpld作為一個(gè)單獨(dú)的控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)通過(guò)編寫相應(yīng)的verilog hdl代碼，即可生成相應(yīng)的操作電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種輸入信號(hào)的鎖存、判斷和處理以及對(duì)各種命令信號(hào)的執(zhí)行和輸出信號(hào)的控制。（5） usb通信模塊的設(shè)計(jì)這里選用cypress公司的ez-usb fx2系列中的cy7c680

46、13作為usb通信控制器芯片，它內(nèi)含增強(qiáng)型8051微控制器，支持usb20傳輸協(xié)議，同時(shí)也向下兼容usbl1規(guī)范。該芯片把usb20收發(fā)器、sie(串行接口引擎)、增強(qiáng)型8051微控制器、i2c總線接口以及gpif(通用可編程接口)集成于一體。cy7c68013提供了slavefifo和gpif兩種接口模式，slave fifo模式是從機(jī)模式，外部控制器可以像對(duì)普通fifo存儲(chǔ)器一樣對(duì)fx2的多層緩沖fifo存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫；gpif模式是主機(jī)模式，可以由軟件設(shè)置讀寫的控制波形，靈活性很大。這里采用的是slave fifo模式。4 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案分析比較設(shè)計(jì)一個(gè)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)滿足以下

47、兩個(gè)基本性能要求：一是高速性，現(xiàn)在高速數(shù)據(jù)采集通常要求達(dá)到幾十甚至幾百 msps的采樣速度，因此需要采用高速 adc技術(shù)和高速緩存技術(shù)來(lái)保證采樣和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩?；二是大容量，高速?shù)據(jù)采集必然帶來(lái)巨大的數(shù)據(jù)流量，一個(gè)4通道20mh 采樣率16位精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣 0.1s 將產(chǎn)生 16m的數(shù)據(jù)量，所以需要采用海量緩存來(lái)解決采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題。為此，針對(duì)上述提出的方案，在此做出簡(jiǎn)單的分析與比較如下：（1）單片機(jī)控制的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種由8751單片機(jī)控制的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)完全靠硬件實(shí)現(xiàn),其數(shù)據(jù)采樣頻率只取決于所選用的a/d轉(zhuǎn)換器, 而不受8751單片機(jī)速度的影響,因

48、而可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。本設(shè)計(jì)方案使用的mcu為普通的51單片機(jī)，其他芯片都是些普通的邏輯芯片，所以方案易于實(shí)現(xiàn)，性價(jià)比較高。但是由于51單片機(jī)的速度有限，與pc的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞绞峭ㄟ^(guò)rs232接口，其速度相當(dāng)有限，而采集的速度可能達(dá)到200m，這可能導(dǎo)致其未上傳完數(shù)據(jù)，又被新的數(shù)據(jù)覆蓋。當(dāng)然可通過(guò)增大緩沖區(qū)域的大小，來(lái)防止其被覆蓋，但是增大高速緩存區(qū)的存儲(chǔ)量也將增大成本。（2）多路分時(shí)采集合成高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用多路合成方案實(shí)現(xiàn)多路低速a/d合成一路高速a/d,減小了電路實(shí)現(xiàn)難度, 提高了系統(tǒng)工作的可靠性。采用內(nèi)存直接映射的接口方案, 實(shí)現(xiàn)采集擴(kuò)展存儲(chǔ)器在高速數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)間的共享;完成高速采樣數(shù)據(jù)向計(jì)算機(jī)的傳輸。采用該方案使得系統(tǒng)對(duì)a/d芯片的轉(zhuǎn)換速度的要求大大降低，理論上來(lái)說(shuō)，只要a/d轉(zhuǎn)換速度大于采樣時(shí)鐘的（n路分時(shí)采集），即可采集該信號(hào)。由于高速a/d芯片的價(jià)格十分昂貴，該方案就大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本。（3）基于mcu+fpga組合的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用的c8051f120單片機(jī)，其外部時(shí)鐘為22.114800mhz，指令執(zhí)行周期不需要經(jīng)過(guò)12分頻，這個(gè)速度解決了方案一中51單片機(jī)速度不足的缺點(diǎn)，使得該系統(tǒng)具備及時(shí)上傳采集的數(shù)據(jù)到上位機(jī)。方案中多路ad采集數(shù)據(jù)，降低ad轉(zhuǎn)換速率的要求，降低成本，且采用fpga來(lái)控制數(shù)據(jù)的采集及存儲(chǔ)。該方案實(shí)現(xiàn)的