基于FPGA的多通道数据采集系统设计.pdf

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1、基于F P G I 的多通道数据采集系统设计刘小林，范育兵，罗春晖(中船重工集团第七二二研究所，湖北武汉4 3 0 0 7 9)摘要：针对大地电磁探测系统的特点，设计了以F P G A 为核心处理器的多通道高分辨率电磁数据采集系统，解决了五路2 4 位A D C 芯片A D S l 2 5 5 与A R M 之间接口复杂、难以实现的问题。详细介绍了F P G A 逻辑设计的模块划分和具体实现。本方案外围电路结构简单可靠，易于扩展，实现了采集系统的高性能和高可靠性，特别适用于多通道高精度的数据采集系统。关键词：模数转换；F P G A；数据采集中图分类号：1 1 砣7 4文献标识码：AD e s

2、 i g no fm u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nF P G AL I UX i a oL i n，F A NY uB i n g，L U OC h u nH u i(T h e7 2 2R e s e a r c hI n s t i t u t eo fC S I C，W u h a n4 3 0 0 7 9，C h i n a)A b s t r a c t：C o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f

3、M Td e t e c t i n gs y s t e m，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dam u l t i c h a n n e lh i g hp r e c i s i o nd a t aa c 羽】i s i t i o ns y s t e mb a s e do nF P G A,w h i c hh a sr e s o l v e dt h ep r o b l e mo fi n t e r f a c e sb e t w e e n5 一c h a n n e lA D Ca n dA R M T h ep a p e

4、rh a sa l s oi n t r o d u e e dt h er e a l i z a t i o no fF P G Al o s i cd e s i g ni nd e t a i l T h i sa p p r o a c ho w n sal o to fa d v a n t a g e s，s u c ha ss i m p l ea n dr e l i a b l ep e r i p h e r yc i r c u i t，e a s ye x t e n d i n g，g o o dp e r f o r m a n c ea n dh i g hr

5、e l i a b i l i t y，w h i c hp a r t i c u l a r l ya d a p t e st om u l t i c h a n n e lh i g hp r e c i s i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m K e yw o r d s：A D C；F P G A；d a t aa c q u i s i t i o n大地电磁场携带着地球内部的结构、构造、温度、压力以及物质成分的物理状态等信息，为人们研究板块运动的规律、追溯地球的演化历史提供了科学依据。大地电磁探测是研究大陆岩石圈导电性结构

6、的有效方法之一，使人们从电性角度认识地球内部的构造形态，达到了解地下不同深度地质情况的目的。该技术应用前景广泛，可用于地下更深层找矿、找水、找油、监测海底潜艇等，对国民经济和国防的发展都有重要的推动作用。最常用的数据采集方案多以M C U 为核心，控制多路信号的采集及处理。但由于单片机本身的指令周期以及处理速度的影响，对于多通道A D 进行控制及数据处理，普通的M C U 往往不容易达到要求。考虑到F P G A器件的高集成度、内部资源丰富、特别适合处理多路并行数据等明显优于普通微处理器的特点，并针对大地电磁数据采集系统对实时性和同步性的要求，本文提出了一种多通道数据采集方案。采用F P G

7、A 与A R M 相结合的设计，采集主控制逻辑用F P G A 实现，A R M 用来实现4 2欢迎网上投稿、n 棚，c h i n a a e t c o m采集数据的存储和数据传输控制。1 系统总体结构系统总体结构如图1 所示。A I D 转换器采用1 r I 公司的2 4 位高精度模数转换器A D S l 2 5 5；F P G A 采用A h e r a公司的E P 2 C 3 5；A R M 为A R M 9 内核的处理器$3 C 2 4 1 0。图1 系统总体结构电子技术应用2 0 0 9 年第7 期 万方数据嵌入式技术肷人瓦玟不E m b e d d e dT e c h n o

8、 l o g y蚕篓划I-1 黼心H 鬟吲鬟娶灿H 羹嫠H 簇娄时钟模块A 划蓁嚣辇 习瓮霉I 模块时钟选择样率选择信号A D采样控制模块图2F P G A 逻辑设计模块电子技术应用2 0 0 9 年第7 期2 1 通道和采样率选择模块在实际应用中并不是每个通道都被使用，A D 的采样率也不只一种，所以在通道的控制和采样率设置上应该具有可选择性。通道和采样率选择模块提供2 个8b i t 的控制寄存器A 和B。如图3 所示，寄存器A 的0 4b i t 分别对应A D C 通道C H 0 一C H 4，5 7b i t 保留；寄存器B 的8b i t 分别对应采样率F S 0 一F S 7。如

9、果要选择某几个通道，只需将寄存器A 中相应的位置1，其他位置O，A D 采样控制模块就会根据该寄存器中的内容使能相应的通道。如果要选择某一个采样频率，只需把寄存器B 中相应的位置1，其他位置0，时钟模块会产生相应的时钟控制A D 的采样率。在开启数据采集之前，A R M 应根据所要求的通道和采样频率向寄存器A 和B 写入相应命令字。765432lO寄存器Al 保留I 保留l 保留lC H 4 C H 3 C H 2C H IC H 0lI765432l0寄存器B 匝丑亘卫互匝丑亘正司玉咽图3 控制寄存器A 和B2 2 时钟模块本设计中外部输入时钟为1 6 3 8 4M H z。由于设计中各个模

10、块工作时钟的不同以及A D 采样率的变化，所以需要多种不同的时钟信号。时钟模块的功能就是根据不同采样率为各个模块提供所需的时钟信号。由于该设计采用同步时序电路，它是基于时钟触发沿设计，对时钟的周期、占空比、延时、抖动提出了较高的要求，为此本设计中采用F P G A 所带的P L L 时钟资源驱动设计的主时钟，使其达到最低的时钟抖动和延迟。2 3 双口R A M 模块本设计中双口R A M 用于数据缓存，一方面存储各个A D 芯片转换的数据，另一方面供A R M 读取数据做进一步的存储与处理。它具有百腔真正的双端口，可以同时对其进行数据存取，两串行个端口具有独立的控制线、地址线和数据线。该笋：瞎

11、双口R A M 模块是通过调用A l t e r aF P G A 自带的参数化模型库(M e g a l p m)实现的。2 4A D 采样控制模块A D 采样控制模块的主要任务就是根据A D S l 2 5 5 的转换时序图，在其芯片的引脚发出相应的时序控制信号，使A D S l 2 5 5 完成启动、配置和数据读取等操作。A D S l 2 5 5 的控制操作如下：首先设置A D S l 2 5 5 的参数配置，读数据模，然后启动转换，通过查询A D S l 2 5 5 的D R D Y 信号判4 3|篷僦自 万方数据嵌入式技术肷人瓦玟不E m b e d d e dT e c h n

12、o l o g y断是否转换完成，转换结束后将数据按b i t 顺序读出。同时将数据输出给串并转换模块，完成一次A D 转换操作。采样控制模块每完成一次采样操作，则停止等待下一个触发脉冲的到来。这一控制过程通过状态机实现。图4 给出了该A D转换控制模块的状态转换图。当数据采集启动信号S T A R T 为高电平时，状态机启动。图4A I D 采样控制模块的状态转移图状态机的各个状态描述如下：(1)e o n v _ i n i t：状态机的初始状态。(2)m o d e _ s e t：设置A D S l 2 5 5 内部的控制寄存器。(3)c o n y _ s t a r t：启动A I

13、 D 转换。(4)e o n v _ w m t：等待A D 转换结束。如果转换结束则进入下一状态，否则将继续保持在该状态。(5)c o n y _ r e a d：A I D 转换结束后读出每个b i t 信息，同时使能移位寄存器进行串并转换。(6)r e a d n e x t：判断数据是否读完。如果没有返回c o n v _ r e a d 状态，否则进入下一状态。(7)c o n y _ n e x t：判断是否需要继续转换数据。如果没有就进入下一状态，否则返回c o n v _ _ s t a r t 状态。(8)c o n y _ e n d：表示本次采样任务结束。状态机保持在该状

14、态，直到采样启动脉冲触发重新开始新的一次采样任务，状态机复位到c o n v _ i n i t 状态。A V _ t 虻L KR E S l r r嚆r 定4 D t O固r 口4 D I t L t固r 1 2 4 D I t 2回r 2 4 D t-_ 3匾r 啦4 D I t ：臀r I F圈d t-r2 5 串并转换模块由于A D S l 2 5 5 是以串行输出转换结果的。故需要该模块将串行输出的数据转换为井行输出。该模块主要采用移位寄存器来实现，其移位控制信号由A D 采样控制模块提供。2 6 数据存储控制模块该模块的作用是将5 通道2 4b i t 经过串并转换的采样数据按通道

15、顺序，以从低字节到高字节的次序，一个一个字节将其写入双口R A M 中，实际上相当于一个字节意义上的并串转换。该模块输入为5 路采样数据r e 9 2 4 D a t a _ 0 4，d a t a F 为输出的字节数据，w r e n F 为双口R A M 韵写控制信号。图5 是一个五通道数据存储的仿真示意图。输入数据值分别为0 x 0 3 0 2 0 1、0 x 0 6 0 5 0 4、o x 0 9 0 8 0 7、0 x 1 2 1 l l O、0)【1 5 1 4 1 3，输出字节数据为0 l 1 5，同时使能写R A M，满足设计要求。2 7A R M 接口控制模块该模块为A R

16、M 与F P G A 及其双口R A M 交互提供桥梁。当A R M 向控制寄存器写入采集参数信息时，接口模块要将该信息通知通道和采样率选择模块；当A R M 读取双口R A M 中的数据时，接口模块对A R M 的访问地址进行译码，选中对应的存储空间取出数据。本文采用F P G A 和A R M 结合设计，很好地完成了多通道高精度的数据采集与处理，并且还详细介绍了F P G A 逻辑的设计方法。F P G A 逻辑通过硬件描述语言V e r i l o g 实现，已应用到磁数据采集系统中。本方案设计灵活，能很容易地扩展为更多路的数据采集，也能很容易地修改为与其他的A D 转换芯片接口。所以该

17、方案可根据不同的应用进行扩展，进一步增强了系统应用的灵活性。参考文献【1】孙航X i l i n x 可编程逻辑器件的高级应用与设训技巧【M】北京：电子工业出版社，2 0 0 4【2】黄智伟，王彦编F P G A 系统设计与实践【M】北京：电子工业出版，2 0 0 5【3】屈栓柱超长周期大地电磁数据采集系统的设计与实现【J】电测与仪表，2 0 0 7(5)：一一厂1：广1：广：r j：r 气：_ 广 了。t：r ：r 气：_ 九：尸t：广1 _ j 1 二r 1：广广0 3 0 2 0 I0 8 0 5 0 4o q 0 8 0 71 2 1 1 l o1 5 1 4 1 3_ J1 一图5

18、数据存储的仿真示意图4 4欢迎网上投稿W W W c h i n a a e t t o m(收稿日期：2 0 0 9-0 1 1 1)电子技术应用2 0 0 9 年第7 期 万方数据基于FPGA的多通道数据采集系统设计基于FPGA的多通道数据采集系统设计作者：刘小林，范育兵，罗春晖，LIU Xiao Lin，FAN Yu Bing，LUO Chun Hui作者单位：中船重工集团第七二二研究所,湖北,武汉,430079刊名：电子技术应用英文刊名：APPLICATION OF ELECTRONIC TECHNIQUE年，卷(期)：2009,35(7)被引用次数：1次 参考文献(3条)参考文献(3条)1.孙航 Xilinx可编程逻辑器件的高级应用与设训技巧 20042.黄智伟.王彦 FPGA系统设计与实践 20053.屈栓柱 超长周期大地电磁数据采集系统的设计与实现期刊论文-电测与仪表 2007(05)引证文献(1条)引证文献(1条)1.郅银周.张彦军.洪应平 基于FPGA的脉冲变换器测试系统设计期刊论文-电测与仪表 2010(5)本文链接：http:/