高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 基于FPGA和SoC單片機(jī)的 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 選題背景及意義 隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理在現(xiàn)代工業(yè)控制和科學(xué)研究中已成為必不可少的部分。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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。隨著SoC單片機(jī)的快速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以將采集多路模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和CPU核集成在一片芯片上，使整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾乎可以單芯片實(shí)現(xiàn)，從而使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)體積小，性價(jià)比高。FPGA為實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集提供了一種理想的實(shí)現(xiàn)途徑。利用FPGA高速性能和本身集成的幾萬(wàn)個(gè)邏輯門和嵌入式存儲(chǔ)器塊，把數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)緩存和控制電路全部集成在一片F(xiàn)PGA芯片

2、中，大大減小了系統(tǒng)體積，提高了靈活性。FPGA還具有系統(tǒng)編程功能以及功能強(qiáng)大的EDA軟件支持，使得系統(tǒng)具有升級(jí)容易、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。二設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1-1所示。輸入模擬信號(hào)為頻率200KHz、Vpp=0.5V的正弦信號(hào)。采樣頻率設(shè)定為25MHz。通過(guò)按鍵啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采集，每次連續(xù)采集128點(diǎn)數(shù)據(jù)，單片機(jī)讀取128點(diǎn)數(shù)據(jù)后在LCD模塊上回放顯示信號(hào)波形。 圖1-1 高速數(shù)據(jù)采集原理框圖3 整體方案設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用如圖3-1的設(shè)計(jì)方案。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、FPGA最小系統(tǒng)和模擬量輸入通道三部分組成。輸入正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后送高速A/D轉(zhuǎn)換器

3、，高速A/D轉(zhuǎn)換器以25MHz的頻率采樣模擬信號(hào)，輸出的數(shù)字量依次存入FPGA內(nèi)部的FIFO存儲(chǔ)器中，并將128字節(jié)數(shù)據(jù)在LCD模塊回放顯示。 圖3-1 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案四硬件電路設(shè)計(jì)1. 模擬量輸入通道的設(shè)計(jì)模擬量輸入通道由高速A/D轉(zhuǎn)換器和信號(hào)調(diào)理電路組成。信號(hào)調(diào)理電路將模擬信號(hào)放大、濾波、直流電平位移，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬輸入信號(hào)的要求。2.高速A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)五FPGA模塊設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)緩沖電路采用FIFO存儲(chǔ)器。FIFO數(shù)據(jù)緩沖電路原理如圖5-1。 圖5-1 FIFO數(shù)據(jù)緩沖電路原理FIFO的寫端口的數(shù)據(jù)線與ADS931的數(shù)據(jù)線直接相連，F(xiàn)IFO的寫時(shí)鐘和ADS931

4、采用同一時(shí)鐘信號(hào)CLK0。FIFO的讀端口與單片機(jī)并行總線相連，數(shù)據(jù)輸出端口加了三態(tài)緩沖器。地址譯碼器的片選信號(hào)和讀信號(hào)相或非后作為FIFO的讀時(shí)鐘電路和三態(tài)緩沖的使能信號(hào)。FIFO數(shù)據(jù)頂層原理圖如圖5-2。 圖5-2 FIFO數(shù)據(jù)頂層原理圖6 F360單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)主程序完成C8051F360單片機(jī)初始化、檢測(cè)有無(wú)按鍵輸入等功能。在此系統(tǒng)中我們加入了一個(gè)頻率測(cè)試顯示功能。主程序流程圖如圖6-2。 圖6-2 主程序流程圖主程序源代碼如下：void main() uchar xdata *addr1; uint i; float f,ts; uchar fuzhi; int up,down,m,

5、n; up=0;down=0;m=0;n=0;ts=0.04; InitDevice();/F360初始化 InsitiLcd();/LCD模塊初始化 DispHan(hanzi10,0x80,0x10); DispHan(hanzi11,0x92,0x08); DispHan(hanzi12,0x8a,0x08); DispHan(hanzi13,0x98,0x08); DispHan(hanzi14,0x9c,0x08); addr1=LEDENCS;*addr1=0x01; START=0; EOC=1; while(1) if (keysign = 1)keysign = 0;if(k

6、eycode=0x00)/k0鍵 START=1; while(EOC=0); /等待數(shù)據(jù)采集完 START=0; addr1=CS1; while(EOC=1) /等待讀出第一個(gè)有效數(shù)據(jù) WaveData0=*addr1; for(i=1;i<128;i+) WaveDatai=*addr1;if(i>3)if(WaveDatai>=WaveDatai-2) up=1;if(WaveDatai<=WaveDatai-2)&&(up=1) up=0;m=i-1; if(m>64) for(i=m-5;i>=1;i-) if(WaveDatai

7、>=WaveDatai-2) down=1;if(WaveDatai<=WaveDatai-2)&&(down=1) down=0;n=i-1; else for(i=m+5;i<=128;i+) if(WaveDatai>=WaveDatai+2) down=1;if(WaveDatai<=WaveDatai+2)&&(down=1) down=0;n=i+1; if(m>=n) f=1/(4*(m-n)*ts); else f=1/(4*(n-m)*ts); fuzhi=WaveDatam-WaveDatan; InsitiLcd(); ShowWave(); if(keycode=0x01)/k1鍵InsitiLcd();DispHan(hanzi15,0x90,0x06);xiaoshu(f,0x93);DispHan(hanzi17,0x96,0x03); /DispHan(hanzi16,0x8a,0x06); 7 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果將各個(gè)模塊連接后，進(jìn)行調(diào)試。首先在LCD上顯示如圖7-1的界面。 圖7-1 LCD初始界面在信