基于FPGA的高速多通道AD采樣系統的設計與實現

文/劉雨聰

高性能模數轉換器主要應用于通信、儀器儀表及醫療設備等多個領域。他對我國國防建設及科研工作的開展有著積極的促進意義。現場可編程門陣列具有著運行速度快、抗干擾能力強等優勢，與之相關的FPGA系統可以讓采集系統更好地滿足人們的需求。FPGA和AD設備采樣系統之間的有效連接，可以讓人們對系統的AD轉換模塊的性能進行分析與驗證。

1　基于FPGA的高速多通道AD采樣系統的總體設計

霍爾傳感器、濾波電路、AD采樣芯片和FPGA是基于FPGA的多通道數據采樣系統主要組成部分。以現場可編程門陣列為核心的數據采集系統可以根據上位機的指令配置和實際需求，對實時采樣方式和高速采樣方式進行轉換，與之相關的硬件電路具有數據采集、自動電橋平衡和狀態反饋功能等多種功能。在AD采樣系統的設計環節，系統硬件電路的搭建方式建立在其整體結構基礎之上。在需要被檢測的電流電壓進入濾波電路以后，濾波電路會將電流電壓轉換為模擬量信號，AD芯片會將經由電路處理的模擬量信號傳入FPGA之中。

2　基于FPGA的高速多通道AD采樣系統的實現

2.1　AD采樣系統的硬件電路設計

AD7606是基于FPGA的高速多通道AD采樣系統中所常用的一種高速模數轉換芯片。這一設備具有著分辨率高、雙極性輸入效果好和具有多通道同步采樣能力的特點。芯片內部的數字濾波器所具有的過采樣功能可以為信號的并行輸出及串行輸出提供保障。在AD采樣系統的硬件電路設計方面，狀態機編程方式是實現AD7606的時序控制的有效方式。根據一些學者的研究結果，系統的工作電壓可以被設定為3.3V，內核電壓可以控制為1.2V。筆者經過相關研究以后，對這一觀點持有肯定態度。JTAG配置模式也可以在AD采樣系統的硬件電路設計過程中得到應用。數字電位器與控制器相結合的方案可以應用于自動電橋的平衡控制。

2.2　AD采樣系統的時序程序設計

可編程邏輯控制器是應用于數字電路狀態機設計的主要工具。狀態機對系統的高速性、可靠性和穩定性有著較為重要的影響。相比于CPU系統所使用的按照指令逐條運行的運行方式，由狀態機構成的硬件系統的工作速度要遠遠高于CPU系統的工作效率。從FPGA高速采樣系統的研究現狀來看，基于4通道時間交織的FPGA高速采樣系統已經成為了學者較為關注的內容。在對AD采樣系統的可靠性能進行分析以后，我們可以發現，FPGA系統的應用，具有讓狀態機系統擺脫對軟件系統的依賴性的作用。CPU運行軟件過程中出現的故障并不會對基于FPGA的高速多通道AD采樣系統的運行效率構成威脅。

數據讀取模塊是這一系統中的一項重要內容。本系統中所使用的數據讀取模塊采用的是狀態機的形式。在完成CS信號線和RD信號線的時序設置以后，程序可以以BUSY信號所產生的中斷信號，對轉換狀態進行確定。一般情況下，AD7606的轉換信號為CONVSTA信號和CONVSTB信號。在Verilog HDL硬件語言應用于這系統的時序程序設計以后，人們可以利用狀態機控制采樣芯片的控制時序和讀取時序。狀態機方式在控制時序及讀取時序領域的應用，有助于采樣速率及采樣穩定性的提升。將讀取的數據存儲于雙口RAM的設計方案的應用，具有著提升效率的作用。

2.3　AD采樣系統的軟件設計

AD采樣系統的軟件設計與以下因素之間有著較為密切的聯系：

（1）ADC控制模塊的建構；

（2）存儲器模塊的設計；

（3）自動電橋平衡模塊、指令識別模塊及數據識別模塊的建構。

數字濾波技術是ADC控制模塊數據輸出環節所不可缺少的技術。中值濾波法和滑動平均濾波法的應用，有助于降低隨機干擾和脈沖干擾對濾波效果的影響。存儲器模塊具有著實現高速存儲和低速讀取的作用。閉環反饋控制原理在自動電橋平衡模塊中的應用，可以為系統構建一種自動化、快速化的電橋平衡調節體系。指令識別模塊和數字識別模塊等模塊有助于選擇向上位機傳送的數據的類型及數據來源。

3　基于FPGA的高速多通道AD采樣系統的實驗結果

3.1　數據采集實驗

數據采集實驗是驗證AD采樣系統的系統工作穩定性的實驗。試驗過程信號發生器為主要信號源，試驗過程中所應用的三角波、方波及正弦波的幅值分別為±1V、±2V和±3V。系統所接入的穩壓源的恒定電壓值為4V。在以200Hz的頻率借助上位機采集系統進行數據采集以后，我們可以發現，基于FPGA的多通道高精度AD采樣系統具有完成實時采樣頻率為2.88kHz及高速采樣91.5kHz的數據采集的能力。

3.2　采樣系統準確率測試

在采樣系統準確率測試環節，相關人員將Altera公司生產的EP2C35F672型FPGA設備應用于可編程邏輯控件之中，Tektronixs公司生產的AFG3052C型波形發生器應用于AD采樣系統之中。假設采樣系統的采樣周期為4μs，波形發射器所產生的信號幅值在-10V至+10V之間。采樣系統的采樣理論值與采樣實際結果之間的最大誤差僅為0.1%，這一試驗結果表明基于FPGA的多通道高精度AD采樣系統在采樣系統穩定性及誤差性方面達到了規定要求。

4　結論

霍爾傳感器、濾波電路、AD采樣芯片和FPGA是基于FPGA的多通道數據采樣系統主要組成部分。這一系統所具有的誤差值低、穩定性高的特點，可以讓其在未來一段時期內具有較為廣闊的應用前景。