基于FPGA 的高速數據采集系統設計

王丹琦，吳 毅，甘曉炫

（1.新疆師范大學 物理與電子工程學院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆農業大學 科學技術學院，新疆 烏魯木齊 830091）

數據采集就是通過模數轉換器（A/D）將輸入的模擬信號轉換成數字信號，然后送入單片機中進行處理，而對A/D轉換器的啟動，數據的讀取，數據的傳輸都是靠MCU（單片機）執行指令來完成的。近年來，隨著科學技術的發展，各種型號的模數轉換器的性能越來越高，而與密切相連的單片機因其時鐘頻率較低，很難滿足數據采集的實時性和同步性[1]，因此，模數轉換器和單片機速度的不匹配，大大影響了數據采集系統的效率，這就要求能有一個讀取數據并且暫存數據的接口電路，來作為二者連接的橋梁，為此，基于FPGA的高速數據采集系統[2-3]的研究顯得極為重要。

1 系統整體設計方案

本數據采集系統主要由信號調理通路、數模轉換器模塊、數據存儲與控制模塊組成。自行設計的硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖Fig.1 Diagram of the system hardware

信號調理模塊是對兩路輸入信號進行調理的電路。輸入信號1是頻率為f1的正弦交流信號，先經過整形電路，變為數字時鐘信號CLK，送入模數轉換器MAX118，作為MAX118的外部時鐘輸入信號，控制數模轉換的速率。另一路輸入信號2為采樣輸入信號，可以是直流信號或是交流信號。當作為交流信號輸入時，其頻率f2是輸入信號1頻率f1的1/N倍。N值的大小就是輸入信號2在一個周期內采樣點的數量。輸入信號2經過調理電路處理后，就可以成為滿足MAX118輸入條件的信號。

將滿足MAX118輸入條件的信號2送入模數轉換器的任一輸入通道中，模數轉換器將模擬量（輸入信號）轉換為數字量。

本系統的FPGA設計主要包括雙端口寄存器模塊和計數器模塊，以及一些與MAX118和MCU連接的邏輯控制。FPGA在電路中，一邊與MAX118接口，一邊與MCU接口，完成數據采集和數據存儲的工作。在轉換過程中，模數轉換器MAX118的啟動和讀取，復位等控制功能均由FPGA完成。數據采集完畢后，FPGA與單片機之間的數據傳輸控制指令也是由FPGA發出并完成的。

電源部分由＋9 V電源供給，FPGA的電源分別為3．3 V和1．5 V，是用專用電源芯片轉換得到，同時還轉換得到5 V電源供單片機和MAX118使用，電源的輸入電流最大3 A，但不應小于2 A，因為大容量的FPGA在大負荷和資源使用較多時需要的電流較大，此電源的功率可以滿足正常使用，不會出現功率不夠而使芯片無法正常工作的情況。

2 核心器件工作原理分析

2.1 高速模數轉換器MAX118

MAX118是美國Maxim公司推出的低功耗、8位8通道的高速 A/D轉換器[4]，精度小于1LSB，采樣速率達到1．2 Msps。本方案采用讀模式進行采樣，可以設計出模數轉換器工作在MODE0模式下與FPGA硬件接口電路，通過對引腳的計數，來讀取數據。

2.2 現場可編程門陣列（FPGA）及單片機（MCU）

本系統的控制器件由FPGA和單片機兩部分組成，在MCU+FPGA組成的電路系統中，單片機主要負責控制，而FPGA主要完成數據的采集和處理．所謂的控制，一方面是單片機直接控制外部電路，另一方面是在FPGA內部自己來寫時序電路，滿足單片機的讀寫等時序，從而實現單片機與FPGA聯合控制本數據采集系統。

現場可編程門陣列選用Altera的Cyclone系列的EP1C 6Q240C8，與之相連接的單片機選擇使用89C52或者52以上的單片機主芯片[5]，這主要是為了高速的串口通信考慮。

3 FPGA邏輯設計

3.1 FPGA接口電路

FPGA在整個硬件電路中負責在MAX118和MCU之間的緩沖與控制[6－7]。對于A/D來說，FPGA的主要作用是控制模數轉換器MAX118的啟動和轉換，并暫存采樣的數據，通過其內部設計的計數器，完成采樣信號一個周期內采樣數量的控制。對于單片機來說，當FPGA完成信號一個周期的采樣后，向單片機申請中斷，由單片機完成對數據的讀取以及對FPGA內部計數器的復位等工作。

自行設計的硬件連接圖如圖2所示。

下面根據圖2來具體說明采樣過程。

1）MAX118工作過程

圖2 MAX118與FPGA及MCU的硬件連接圖Fig．2 MAX118 and FPGA and MCU hardware connection diagram

要把輸入信號送入模數轉換器MAX118，必須通過設置其A0，A1，A2 3個引腳來選擇輸入信號的通道，當A0，A1，A2 3個引腳都為低時，選中通道1，此時，輸入信號被送入A/D中。并將外部時鐘信號CLK同時送入MAX118及FPGA中，保證二者同時被啟動。MAX118的MODE引腳被置低，工作在讀模式，至此，A/D可以進行轉換，8位數據從D0～D7引腳讀出。

2）FPGA 控制過程

假設外部時鐘信號CLK的頻率f1是輸入信號頻率f2的32倍，輸入信號在一個周期內將被采樣32個點。當FPGA檢測[8]到時鐘信號CLK的上升沿時，開始從MAX118的數據輸出端口D0～D7讀數據，并將數據放入FPGA的寄存器中。同時，FPGA的計數單元開始對MAX118的INT計數，根據對MAX118時序的分析，每進行一次轉換，INT都被拉低一次，那么當采樣完一個周期的32個點后，INT也被計數了32次。此時，由FPGA給單片機一個中斷信號，單片機通過FPGA內部設置的地址譯碼器開始對其存儲器中的數據進行讀取，而FPGA則處于等待狀態。當讀取結束后，單片機通過P1．0引腳給FPGA一個復位信號，將其內部計數器清零，然后再開始讀取下一個周期的數據，如此循環，周而復始。

3.2 FPGA邏輯設計

本設計采用Verilog－HDL硬件描述語言進行邏輯代碼設計，在QuartusⅡ[9]開發環境下，根據需求編寫源代碼，來完成分析綜合，適配，仿真等工作，最后將生成的pof文件下載到FPGA中。

4 系統調試結果分析

4.1 直流信號采集效果

首先，輸入一個直流信號進行采集，來分析采集系統的正確度[10]。

設輸入信號1頻率f1=160 kHz，經過整形電路變為一個方波信號，作為模數轉換器的時鐘信號。輸入信號2為一個直流信號，設其表達式為u=1 V，然后對輸入信號2進行16個點的采樣，采樣數據如下表所示：

上表中的采樣值是經過8位的模數轉換器MAX118量化編碼后輸出的，需要經過歸一化處理后，才能用正確度公式ε=x－x來分析，其中x表示測量的均值，x表示真實值。通過計算ε=0．03。MAX118是一個8位的模數轉換器，其基準電壓為5 V，所以此模數轉換器的分辨率為5/28=0．02，也就是A/D引起的量化誤差為0．02。由此可見，系統誤差中，除了量化誤差外，還存在著別的誤差，這是由于電路中的噪聲干擾等因素引起的，是不可避免的。這個數據也表明，本設計的準確度很高。

表1 直流采樣數值分析表Tab.1 DC sampling numerical analysis table

4.2 交流信號采集效果

現在，輸入一個交流信號來分析采集系統的精密度[10]。精密度反映在相同條件下，對某定值做多次測量，測量值分散的程度，通過測量值的標準偏差來衡量標準差越小，表示數據越集中。

圖3是由采樣系統輸出的測量值畫出的波形圖，采樣數據已經作了歸一化處理。

觀察上圖，發現只有少數采樣點偏離實際值，二者的波形形狀基本吻合，說明數據采集是成功的。

如表2所示，為輸入正弦信號在一個周期內的32個點實際值和采樣值數據。其中，采樣測量值已經進行了歸一化的處理。

圖3 輸入信號波形圖與采樣信號波形圖Fig.3 The input signal waveform figure and sampling signal waveform figure

表2 交流采樣數據分析表Tab.2 AC sampling numerical analysis table

經過以上對系統正確度和精密度的分析，可以得出，本設計的正確度和精密度都很高，也就是說系統的準確度很高。以上的數據分析結果，充分說明了這個設計系統能夠正確的讀寫數據，穩定且可靠。

5 結束語

本設計采用在線可編程的FPGA器件作為A/D和MCU的接口控制電路，完成了模擬信號的采集，與傳統的基于MCU的采集系統相比，具體采樣靈活，硬件電路簡單，實時性和同步性高等特點。測試數據表明，該設計能很好完成8位8通道的數據采集工作，采樣準確度高，系統工作穩定。

[1]李朋勃，張洪平.基于USB2.0的高速數據采集系統[J].電子技術應用，2009（10）:109.LI Peng-bo，ZHANG Hong-ping.High-speed data acquisition system based on USB2.0[J].Application of Electronic Technique，2009（10）:109.

[2]楊海鋼，孫嘉斌，王慰．FPGA器件設計技術發展綜述[J]．電子與信息學報，2010，3（32）：714-715.YANG Hai-gang，SUN Jia-bin，WANG Wei.An overview to FPGA device design technologies[J]．Journal of Electronics and Information Technology，2010，3（32）：714-715.

[3]孟德剛，何國瑜.基于FPGA數據采集系統[J].電子測量技術，2004（5）:74-75.MENG De-gang，HE Guo-yu.FPGA based on design and implementation of data acquistion system[J].Electronic Measurement Technology，2004（5）:74-75.

[4]王建，陳旭力.8位8通道模數轉換芯片MAX118及其應用[J].儀表技術與傳感器，2001（5）:34-36.WANG Jian，CHEN Xu-lieg.8-Bit and8-Channel ADC MAX118and ItsApplication[J].Instrument Technique and Sensor，2005，24，（4）：46-48.

[5]常莉來，凌宏江．基于C8051F單片機的多通道數據采集儀[J].制造技術與機床，2010（11）：20-21.CHANG Li-lai，LIN Hong-jiang.Multi-channel data acquisition based on C8051 series[J].Manufacturing Technology and Machine Tool，2010（11）：20-21.

[6]卜英勇，魯志佩.基于FPGA的高速數據采集系統設計及TMS320C6416接口實現[J].儀表技術與傳感器，2008（7）:95-97.PO Ying-yong，LU Zhi-pei.Design of high-speed datacollecting system based on FPGA and interface with TMS320C6416[J].Instrument Technique and Sensor，2008（7）:95-97.

[7]侯朝勇，胡學浩.基于FPGA的多路同步實時數據采集系統[J].電子技術應用，2009（10）:103-105.HOU Chao-yong，HU Xue-hao.Muhi-channel synchronal real-time data acquisition system based on FPGA[J].Application of Electronic Technique，2009（10）:103-105.

[8]馬建國，孟憲元.FPGA現代數字系統設計[M]．北京：北京大學出版社，2010.

[9]WAYNE wolf.FPGA-Based System Design[M]．北京：機械工業出版社，2005.

[10]錢政，王中宇，劉桂禮.測試誤差分析與數據處理[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2008.