基于FPGA的多路數據采集系統的設計

尹淑娟（包頭師范學院　信息學院,內蒙古　包頭　014030）

基于FPGA的多路數據采集系統的設計

尹淑娟
（包頭師范學院信息學院,內蒙古包頭014030）

摘要：系統通過ADC0809采集數據，并用DAC0832輸出數據，在QuartusII平臺上，通過VHDL語言編程完成數據采集系統電路的軟件設計、編譯、調試、仿真和下載，通過仿真波形分析說明設計結果滿足設計要求。

關鍵詞：數據采集系統；FPGA；VHDL；采樣控制

1　引言

數據采集技術是信息科學的重要分支之一，它研究信息數據的采集、存儲、處理以及控制等問題。它是對傳感器信號的測量與處理，以微型計算機等高技術為基礎而形成的一門綜合應用技術。數據采集也是從一個或多個信號獲取對象信息的過程。隨著微型計算機技術的飛速發展和普及，數據采集監測已成為日益重要的檢測技術，廣泛應用于工農業等需要同時監控溫度、濕度和壓力等場合。數據采集是工業控制等系統中的重要環節，通常采用集成的FPGA系統來實現，作為測控系統不可缺少的部分，數據采集的性能特點直接影響到整個系統。

2　系統總體設計

系統用ADC0809對模擬信號進行采樣，轉換為數字信號，由可編程邏輯器件讀入，再送到CB模塊中，將數字信號轉換為模擬信號。用可編程邏輯器件實現對ADC0809的控制，由于采用查詢信號EOC的方式，所以可達到ADC0809的最高速度。

數據處理單元就是主控器，其主要包括鍵盤控制模塊、顯示控制模塊、串并數據轉換模塊、數據轉換模塊、數據顯示控制模塊設計。八路數據采集器將各路模擬信號分別轉換成8位二進制數字信號，用串行碼送入傳輸線路。主控器串行傳輸線路對各路數據進行采集和顯示，采集方式包括循環采集（即1路、2路8路、1路、）和選擇采集（任意一路）。顯示部分能同時顯示地址和相應的數據。

2.1鍵盤控制模塊

鍵盤模塊的功能是：按9號鍵循環顯示各路地址和數據；按1～8號任意鍵顯示任意一路的地址和數據，該控制模塊中DISP_DATA是數碼管顯示譯碼輸出，它的工作由CLK信號和KEY_LIE（列輸入）決定，KEY_HANG為行輸出，將會和KEY_LIE相并然后在輸出，DATA_P和DATA_PP為二一十進制數的輸出和小數點，鍵盤控制模塊包括：行鍵值輸出、鍵值鎖存和鍵值合成。鍵值鎖存模塊將按下按鍵的行、列信息鎖存，并交由鍵值合成模塊，該模塊配合行鍵輸出模塊輸出的結果，最終確定鍵值并輸出。

2.2顯示控制模塊

顯示控制模塊CONTROL主要是由鍵盤輸入來的數據進行選擇通路進行鍵盤值的數據輸出。當鍵盤值是9的時候，循環輸出選擇通路地址000、001、010、011、100、101、110、111和1、2、3、4、5、6、7、8通道號。當鍵盤值是0——8任意值的時候，單獨數據采集顯示；如當鍵盤值是1時，選擇通路地址d_out輸出001，key輸出1數字。

2.3串并數據轉換模塊

串并數據轉換模塊的主導思想是將串行數據變成并行數據輸出。對上一模塊中的通道數據的串行輸入進行串并轉換，然后輸出PAR_ OUT(通道地址加通道數據)。

2.4數據轉換模塊

數據轉換模塊將采集的個通道數據存儲下來，并根據鍵盤所選擇的通道選擇對應通道的數據，用U0=-U0×D/28將其轉換成與模擬電壓對應的二進制數據，其中D為數字量的十進制數，再將二進制轉換成二一十進制數，在傳到下一模塊。

2.5數據顯示控制模塊

由數據轉換模塊中傳過來的二一十進制數據和鍵盤數據經由數碼管數據的循環控制，并在數碼管中選通，最后在數碼管上顯示數據。串并轉換模塊的輸出端PAR_OUT與數據轉換模塊中的輸入端C_IN連接，鍵盤模塊的輸出端DATA_P(二一十進制數輸出)與顯示控制模塊的輸入端D_IN（二一十進制數輸入）連接，顯示控制模塊的輸出端D_OUT（通路數據輸出）和KEY（鍵盤值數據輸出）分別與數據轉換模塊的D_IN（鍵盤選擇的通道數據輸入）和KEY_IN（鍵盤值的數據輸入）連接，最后數據轉換模塊的輸出端KEY_OUT（鍵值的顯示輸出）、C_OUT1、C_OUT2、C_OUT3、C_OUT4（數據的顯示輸出）與數據顯示模塊的KEY_IN(鍵盤數據輸入)、D_IN1、D_ IN2、D_IN3、D_IN4（二一十進制數據）連接，DISP_OUT為數碼管顯示數據。

3　仿真結果分析

（1）鍵盤模塊設計仿真，此模塊的主要功能是按9號鍵循環顯示各路地址和數據，按1～8號任意鍵顯示任意一路的地址和數據。Key_lie為列輸入，key_hang為行輸出，循環輸出行信號1110、1101、1011、0111，disp_data為數碼管顯示譯碼輸出。

（2）顯示控制模塊設計仿真，當鍵盤值是9的時候，循環輸出選擇通路地址000、001、010、011、100、101、110、111和1、2、3、4、5、6、7、8通道號。當鍵盤值是0～8任意值的時候，單獨數據采集顯示。如當鍵盤值是1的時候，選擇通路地址d_out輸出001，key輸出1數字。

（3）數據轉換模塊設計仿真，根據鍵盤所選擇的通道選擇對應通道的數據，將二進制數轉換成十進制數.如鍵入key_in=1001,鍵盤選擇通道數據輸入111，則key_out輸出0111。

（4）數據顯示控制模塊設計仿真，將會在數碼管上顯示數據。disp為數碼管掃描，disp_out為數碼管數據，八位分別為小數點.g..a，如當disp_out=00111111時，數碼管顯示0，當disp_out=00000110時，數碼管顯示1。

（5）系統總體仿真圖

4　結論

在頂層設計實體中將各子功能模塊相連，通過設計輸入、綜合分析、仿真驗證等步驟后，仿真結果驗證了系統的核心模塊都能正常工作，實現了8路數據的采集功能。

參考文獻：

[1]王振紅，趙新建.數據采集以及監控系統[M].北方工業大學出版社,2003.

[2]馬云峰，陳子夫，李培全.數字溫度傳感器DS18B20的原理與應用[J].[EB/OL]1-25.

作者簡介：尹淑娟(1982—)，碩士學位，講師，研究方向：電子技術應用。