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基于FPGA的多通道AD数据采集系统的设计

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【摘要】:
摘要:基于珠海欧比特宇航科技股份有限公司自主研发芯片S698PM与Altera公司的FPGA芯片,设计了一种高精度、高稳定性多通道AD采集系统。该系统采用S698PM作为主控CPU,FPGA作为主控单元,通过控制一级、二级模拟选择开关及A/D转换器AD9235对输入的各种类型的模拟信号进行采集,并将采集到的12bit数据以既定的格式存入到 RAM中。通过CPU可对RAM中的数据进行读取,对数据进行

基于FPGA的多通道AD数据采集系统的设计

张俊文,唐芳福,韩俊,张志国,黄仕林,张业强,何建东

珠海欧比特宇航科技股份有限公司,珠海 519080

摘要:基于珠海欧比特宇航科技股份有限公司自主研发芯片S698PMAltera公司的FPGA芯片,设计了一种高精度、高稳定性多通道AD采集系统。该系统采用S698PM作为主控CPUFPGA作为主控单元,通过控制一级、二级模拟选择开关及A/D转换器AD9235对输入的各种类型的模拟信号进行采集,并将采集到的12bit数据以既定的格式存入到 RAM中。通过CPU可对RAM中的数据进行读取,对数据进行分析。通过实验验证说明,该系统可以同时对多路模拟信号进行采集,并运行稳定,采集精度能够符合预期的要求。

关键词:S698PMFPGA;多通道;A/D转换;采集系统

中图分类号:TP332文献标识码:A

文章编号:

Design of multi-channel AD data acquisition system based on FPGA

ZHANG Junwen,TANG Fangfu,HAN Jun,ZHANG Zhiguo,HUANG Shilin,ZHANG Yeqiang,HE Jiandong

Zhuhai Orbita Aerospace Science & Technology Co.,Ltd., Zhuhai 519080,China

AbstractBased on the chip S698PM independently developed by ZhuHai Orbita Aerospace Technology Co., LTD and FPGA chip of Altera co.,LTD, a multi-channel AD acquisition system with high precision and stability is designed.In this system, S698PM is used as the main CPU and FPGA as the main control unit. Various types of input analog signals are collected by controlling the first-level and second-level analog selector switches and A/D converter AD9235, and the collected 12bit data is stored into RAM in A predetermined format.The data in RAM can be read and analyzed by CPU.The experimental results show that the system can collect multi-channel analog signals at the same time, and the operation is stable, and the acquisition accuracy can meet the expected requirements.

Key words:S698PMFPGA Multi-channelAD convertAcquisition System

 

1. 概述

数据采集就是将需要被采集的各种参数,

通过不同的传感、转换元件转换后,再经过信号的调理、采样、量化、编码、传输等步骤后,最后将采集到的数据送到控制器系统进行数据处理、存储的过程。在以往的多通道高速数据采集系统中,通常都采用数字信号处理器DSP或者采用单片机作为主控单元,控制多路选择器和AD转换器等其他外设。但是基于此类微控制器的多通道高速采集系统均存在一定的不足之处。首先,微控制器的控制语言时顺序执行的,每个功能都要靠软件才能运行,当执行的功能比较复杂,随着程序数量的增加,如果程序的编码风格不规范时,很容易出现“程序跑死”和“复位”的现象。此外,AD芯片的控制逻辑比较复杂,若通过此类微控制器来编程实现,不仅会增加微控制器的干扰,进而影响微处理器的运行速度,同时由于微控制器会不断介入到AD的控制会影响程序的正常运行。基于以上的原因,一般的微控制器已经很难满足高速的多通道数据采集系统的要求。基于FPGA处理器的高时钟频率、内部延时小、时序控制简便且可实现精确控制、编程配置灵活、开发周期短、具有高集成度。体积小、低功耗及I/O口多等优点。故本系统以FPGA处理器控制模拟通道转换、AD转换器、数据采集的存储及传输等功能。此外本设计中基于珠海欧比特宇航科技股份有限公司自主研发的基于SPARC架构的S698PM CPU处理器实现与FPGA所谓无缝对接,完成采集数据的交互。

2. 系统总体设计

2.1 系统组成框图

基于FPGA的多通道自动数据采集系统主要有模拟多路开关、信号调理模块、AD转换模块以及FPGA处理器模块实现,其中模拟多路的控制、AD自动采集的设计以及采集数据的存储、传输等功能都在FPGA内部完成。系统的组成框图如图2-1所示:

2-1 系统框图

2.2 系统工作原理

本系统共对80路模拟输入量进行采集,此80路模拟量分为两种类型。第一种类型为前48路模拟输入量,由4个多路选择器进行通道的切换,每个多路选择器负责12路模拟输入量,暂且将每12路模拟输入量分为一种小类型,则分别为A0-A11B0-B11C0-C11D0-D11;第二种类型为后32路模拟输入量,由两个多路选择器进行通道间的切换,同样,将每16路分为一种小类型,则分别为E0-E15F0-F15。当系统上电,复位信号之后,FPGA同时采集80路模拟输入量,将所有的模拟输入量数据存放在一个寄存器中,同时检测ABCD类型中有哪几路输入量为高电平(每种类型中只能同时出现一路高电平),若某种类型中出现高电平,则首先采集该类型中的输入为高的那一路,采集完该类型后,若其他类型同时也出现了高电平,则紧接着对该类型中输入为高的那一路进行采集,若没有则就按照A->B->C->D的顺序经依次对每种类型中采集一路,EF类型则不需要对输入量进行检测,直接按照E0->E15F0->F15的顺序进行采集。当A->B->C->D->E->F的一个循环结束后,再次对ABCD进行检测,如果其中有高电平出现,则先采集输入为高的输入量,其他不为高的类型则按顺序依次进行采集,且每种类型中只有完全走完一个循环才再次从每种类型的首通道开始。综上所述,大概会出现以下几种情况:

Ÿ   ABCD中只有一种类型中出现高电平,比如B,则相应的采集顺序为B->A->C->D->E->F,以此类推;

Ÿ   ABCD中两种类型中出现高电平,比如AC,则相应的采集顺序为A->C->B->D->E->F,以此类推;

Ÿ   ABCD中三种类型中出现高电平,比如BCD,则相应的采集顺序为B->C->D->A->E->F,以此类推;

Ÿ   ABCD中同时出现高电平或者都不出现高电平,则相应的采集顺序为A->B->C->D->E->F

每个通道采集的数据按照“计时时间+采集数据”的格式写入到RAM中。本设计中共有两个RAM对采集到的数据进行数据存储,ABCD类型用一个RAMEF类型用一个RAM。对每个通道分配等量RAM地址空间进行数据存储(实际分配大小可依据具体的应用),然后CPU可以从RAM读取数据进行分析,从而提高了数据存取的效率。本数据采集系统采用了FPGA内部RAM IPCPU等实现了采集数据控制和处理,使系统的通信和数据处理能力大大的增强,从而保证了系统的实时性。A/D转换的原理如图2-2所示:

2-2 系统AD转换原理图

2.3 多通道选择器

本设计选用的多通道选择器为ADG5206,它是一款可配置成16路单通道输入的多路选择器。它通过4位地址线和一位使能信号输出16路输入中的一路。而当使能信号EN控制芯片的工作状态,当其为高时,该芯片处于正常的工作状态,而为低时,则芯片无法正常工作,且关闭所有的输入通道。芯片输出那一路输入信号,则有4位的地址线进行控制。FPGA通过控制ADG5206EN4位地址线,从而进行周期性的切换通道。本设计中使用了两级多路选择器控制模拟输入的控制,前48路模拟输入通道通过4个一级ADG5206进行切换,每个芯片用16通道中的12通道对输入的12路模拟输入进行控制,其余的4通道不使用,直接接地处理。后32路模拟输入直接通过2个一级多路选择器进行控制。一级多路选择器6个输出连接至二级多路选择器的6个输入通道,其余通道同样直接进行接地处理。多路选择器通道切换真值表如图2-3所示:

2-3 ADG5206真值表

2.4 A/D转换电路

A/D转换芯片的作用是将模拟型号转换成数字信号,其性能在数据采集系统中起着决定性作用,直接影响整个采集系统的性能。本设计采用的A/D芯片为AD9235,采用3V供电,12bit并行输出,采样率为20/40/65MSPS的模数转换器,且具有内置采样保持放大器,高性能等特性。本设计中,当模拟输入信号到达A/D芯片输入端时,只需要等待A/D进行模数转换的时间,即可对转换后的数据进行提取。其转换的时序图如图2-4所示:

2-4 AD转换时序图

2.5 FPGA控制电路设计

本设计采用Altera公司的FPGA芯片EP4CE30F484对整个采集系统进行控制,包括对A/D芯片以及多路选择次的控制。通过控制一级和二级多路选择器实现对模拟输入通道进行切换,然后控制A/D芯片进行数据采集,将采集后的数据以特定的格式存放至RAM中。最后根据CPU发送的命令读取RAM中的数据,传输给CPU进行数据分析。FPGA控制电路如图2-5所示:

2-5 FPGA控制电路

3 数据采集系统的逻辑设计

FPGA程序由VHDL语言编写,在Quartus II开发环境中实现。FPGA设计主要包括4个模块,多路选择器控制,A/D转换芯片控制,RAM的读写控制以及与CPU的接口协议实现。数据采集的流程图如图3-1所示:

3-1 系统采集流程图

         当系统上电后,FPGA首先检测ABCD类型中是否有高电平。如有,则再此判断哪种类型中出现高电平,FPGA根据那一路出现高电平控制一级和二级多路选择器的切换,优先采集出现高电平的模拟通道。采集完成高电平对应的通道后,则按照A->B->C->D->E->F的顺序对其他类型的模拟通道数据进行采集。若果没有,则直接按照A->B->C->D->E->F的顺序进行数据采集。当采集完一个循环后,再次判断ABCD类型中是否有高电平,依此循环。

         切换到相应通道后,等待一定时间,启动A/D转换芯片开始进行数据采集。当A/D芯片采集结束后,根据通道的不同,将采集到的数据以既定的格式保存到相应的RAM区域,等待CPU来读取。本设计利用Modelsim仿真工具进行仿真,仿真结果如图3-2所示:

3-2 系统仿真图

4 结束语

         本设计利用状态机设计方法实现通道的切换、AD数据采集的设计。将采集的数据实时的存储的在RAM中,再通过CPU将采集到的数据从RAM中读取出来,相比于直接通过FPGA对数据分析,减少了系统对FPGA资源的占用,提高了系统的处理效率。实验证明,系统的稳定性、采样速率、采样精度均达到设计要求,对于高速数据采集系统的设计具有一定的实用价值。

参考文献

[1] 王剑飞,程耀瑜,王鹏,王晓鹏. 基于FPGADSP的多路信号采集系统的设计[J]. 器件与应用,2013:57-60.

[2] 鲁玲,刘大年,于海东. 基于FPGA的高精度多路温度采集器 [J]. 电气自动化,2006 35-37.

[3] 秦鸿刚,刘京科,吴迪. 基于FPGA的双口RAM实现及应用 [J]. 电子设计工程,2010:72-74

 

[4] 齐红涛,苏涛. 基于FPGA的高速采样设计 [J].航空兵器,2010:35-39.

[5] 孙艳明,王永明,袁德志等. 基于DSPFPGA的运动控制器设计 [J]. 工程与试验,2012 523):59-60.

[6] 杨义台,孙未,张义栋. 基于FPGA的激光数据采集系统的设计 [J]. 测试测量技术,2011:25-27

 

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