基于FPGA的數據采集電路設計

于 強

（哈爾濱哈投投資股份有限公司供熱公司，黑龍江 哈爾濱150090）

隨著電子技術以及數字信號處理技術的發展，各行各業中對于數據采集電路的要求也越來越高，數據采集電路也被廣泛應用于通信系統移動終端、電子偵察系統、醫療器械等眾多軍事與民用行業中［1，2］。

1 數據采集電路總體設計

基于FPGA的數據采集電路總體設計方案如圖1所示。該電路設計中包括了FPGA及其外圍電路設計、A/D轉換器電路設計、信號調理電路設計以及USB接口電路設計等幾個部分。在FPGA內部，可以對輸入信號的數字量進行存儲、數據處理等，對于處理后的數據通過USB接口芯片上報給PC機。該系統中USB接口芯片采用了Cypress公司的USB2.0的集成微控制器CY7C68013。

圖1 基于FPGA的數據采集電路總體設計

2 基于FPGA的數據采集電路具體設計

2.1 FPGA及外圍電路設計

本系統中FPGA采用的是Altera最近推出的Nios II系列軟核處理器，支持 Cyclone II FPGA 系列芯片EP2C8Q208。Altera為了配置該芯片，提供了低成本的串行配置器件，分別為1Mbit，4Mbit，16Mbit和64Mbit的四個串行配置器件。設計中EP2C8Q208的配置芯片選擇為EPCS4。該配置具體連接電路如圖2所示。而芯片EP2C8Q208具有208個管腳封裝，其 豐 富 的 I/O 口 可 以 滿 足 本 電 路 的 需 求［4－6］。EP2C8Q208具有8256個邏輯單元、18個嵌入式18＊18乘法器、77個差分通道、36個 M4K RAM塊、2個鎖相環（PLL），上述資源可以絕大部分用于數據采集電路的后續信號處理。

圖2 FPGA配置芯片EPCS4電路設計

2.2 信號調理電路與A/D轉換電路設計

信號調理電路采用了 Mini－Circuits生產的ADT1－1，其作用是將單端輸入轉換成差分輸入。本設計中A/D轉換電路采用了ADI公司推出的12位雙通道數模轉換器芯片AD9238。該芯片采樣速率有20 MSPS，40 MSPS和65 MSPS三種選擇，本設計中采用了40 MSPS的采樣速率。該芯片采用3.3 V供電，并且單個芯片使用2個單通道A/D轉換器。該芯片采用流水線工作方式，在每個時鐘信號的上升沿進行采樣，經過7個時鐘周期后，數據出現在數據線上。AD9238帶有片內寬帶差分采樣保持放大器（SHA），允許用戶選擇多種輸入范圍和失調電壓。

2.3 電源模塊電路設計

電路電源采用＋5 V供電，需要為 AD9238、EP2C8Q208、CY7C68013等多種芯片提供不同種類的電壓。為此，本設計中采用了LT1764－3.3以及AMS 1117兩款電源電壓芯片，分別產生＋3.3 V和＋1.2 V電壓。LT1764－3.3是凌特公司的穩壓模塊，該模塊可以提供3 A的供電電流，足以滿足整個電路的需求。AMS1117系列穩壓器有可調版與多種固定電壓版，本設計中采用固定電壓1.2 V 版，即采用 AMS 1117－1.2芯片，可提供1 A輸出電流，供FPGA使用。AMS 1117－1.2模塊具體電路設計如圖3所示。

圖3 AMS 1117－1.2模塊電路設計

2.4 USB接口電路設計

為了實現FPGA處理后數據的上報，采用了USB接口實現FPGA與PC機之間的數據通信。本設計采用了Cypress公司的USB2.0的集成微控制器CY7C68013。該芯片具有控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸4種傳輸方式，支持12 Mbit/s的全速傳輸，芯片內部集成了3個8位I/O口、1個智能USB串行接口引擎、USB數據收發器、16位地址線、4K的BFIFO 等［5］；同 時 CY7C68013 芯 片 具 有 GPIF/SLAVE FIFO/GPIO3種接口模式，內部具有增強性8051內核，其標準可以與8051兼容。

3 結 論

本文設計的一種基于FPGA的數據采集電路，采用了FPGA作為核心處理平臺，具有在線可編程的特點，可根據不同數據采集系統的功能要求，設計和開發不同的功能，具有較強的通用性。同時，FPGA內部資源的豐富以及并行處理能力為各個領域開發和應用提供了堅實基礎。

［1］ 張 焱，余海龍，羅進川.超高速數據采集系統設計與實現［J］.安徽大學學報（自然科學版），2006，30（4）：44－47.

［2］ 米根鎖，王瑞峰.基于PCI總線流水式高速數據采集系統設計［J］.自動化儀表，2006，27（8）：32－35.

［3］ 李永忠.實時數據采集系統中定時程序的設計［J］.南陽師范學院學報，2006，5（6）：88－90.

［4］ 湯少維.基于FPGA控制的高速數據采集系統設計與實現 ［D］.成都：電子科技大學，2007.

［5］ 張 平，楊琳佳.PCI數據采集外圍總線接口電路的設計［J］.重慶大學學報（自然科學版），2007，30（10）：20－23.

［6］ 鄭莊武，張顯才.EP2C8組成高速數據采集系統 ［C］.電工理論學會第22屆學術年會、河南省電工技術學會年會論文集，2010.