基于FPGA的教學實驗數據采集系統設計

解博江 朱永琴

摘要：針對傳統教學實驗數據采集中存在的采集用時較長，無法滿足教學實驗的需要問題，開展對教學實驗數據采集系統的設計研究。通過對FPGA控制、信號調理電路、模擬數字轉換器等硬件設計，以及對系統軟件流程設計，完成基于FPGA的教學實驗數據采集系統設計。通過對比實驗證明，該系統與傳統系統相比有效縮短了對數據采集的時間，進一步提高實驗教學的效率。

關鍵詞：FPGA;教學實驗;數據采集

中圖分類號：TP274.2 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-0196-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

在實驗教學中數據采集的重要性日益明顯，并且已經成為教學實驗中計算機與外部物理世界連接的橋梁，是各個實驗中的重要工具。利用數據采集可以對教學實驗過程中的各項參數進行采集、監測和記錄，更快的找出實驗過程中產生的問題或實驗結果[1]。FPGA指可編程邏輯門陣列，具有速度快、集成性高、可靠性高以及靈敏度高等優勢，在數據采集領域中被廣泛應用[2]。FPGA具有豐富的電平接口，與其他可編程器件相比更適用于不同的協議當中，且FPGA的內部邏輯資源較為豐富，因此并行性與擴展性都較一般可編程器件更好，適用于教學實驗對數據采集的要求。因此，本文基于FPGA的優勢，對教學實驗數據采集系統進行詳細的設計說明。

1 基于FPGA的教學實驗數據采集系統硬件設計

本文提出的基于FPGA的教學實驗數據采集系統以現場FPGA可編程邏輯門陣列為核心的控制器，整個系統由控制器控制采集教學實驗數據。在本文系統中，通過傳感器將采集到的信號接收并發送到調理電路中進行適當的調整和變換，轉變為與模擬數字轉換器相匹配的電量信號，再送人到模擬數字轉換器電路中，轉換為數字信號，再將數字信號發送到FPGA芯片中，對數字信號進行緩存處理，再進行快速傅里葉變換，最終在顯示器中將采集到的教學實驗數據實時顯示[3]。數據信息以經過串口的方式發送到上位機中，在上位機中進行下一步的分析和存儲操作。

1.IFPGA控制設計

FPGA控制是本文教學實驗數據采集系統的核心，FPCA控制的主要功能是完成對模擬數字轉換器的控制、對數據傳輸的識別、對顯示器的控制以及對上位機的通信控制功能。根據本文系統需要，選擇型號為EQ2C1000-G213的FPGA芯片作為數據采集的主控制芯片。EQ2CIOOO-G213型號的FPGA芯片共有1835個LC，邏輯容量約為180萬系統門。內置8個PLL，可實現使用去偏斜、相移、頻率合成等功能。共計192個存儲單元，總容量為864Kbit。最多可提供16路全局時鐘信號，支持主動及被動配置方式，兼容商業配置芯片。采用CBGA575封裝，最大USER l/0數目達324個，芯核電源電壓為I.5V。支持多種1/0標準：3.3 V/2.5v/1.8V/ 1.5V_LVITULVCM OS標準，支持SSTL2/SSTL3標準，支持LVDS標準。具有可編程的1/0驅動能力、擺率控制、總線保持、弱上拉等功能。具有48個可編程DSP單元實現數字信號處理功能。支持主串、從串、主并、被并，內置兼容JTAG標準的邊界掃描電路。與同等功能的其他芯片相比具有價格低、性能高以及資源豐富等優勢。基于該芯片可根據用戶配置碼實現定制功能設計。

EQ2C1000-G213型號的FPGA芯片在工作過程中需要的電源為芯片核心電壓和芯片的1/0接口電壓。前者電壓值為2.5V，后者電壓值為4.5V。本文教學實驗數據采集系統采用的電源方案為：從系統外部引入一個電壓為10V的電源，在為FP-GA芯片外圍電路供電的同時，將剩余的電壓通過變換轉變為4.5V和2.5V的電源，為FPGA芯片供電。FPGA供電電路示意圖如圖1所示。

EQ2CIOOO-G213型號FPGA芯片采用的供電電路為低壓差線性穩壓芯片，型號為DN2545的低壓差線性穩壓器。該型號低壓插線穩壓器最低的輸入輸出電壓差為1.5V，當電流為700mA時，云=允許FPGA芯片的最低輸入輸出電壓差為1.5V。

1.2信號調理電路設計

教學實驗數據采集系統的數據均來自傳感器采集到的信號。根據實驗的不同類型檢測不同的物理量，選擇不同類型的傳感器設備，因此存在輸出信號大小難以調節的問題。針對這一問題對傳感器進行檢測，并將輸出的信號轉入到信號調理電路中，通過調整輸入到模擬數字轉換器電路的信號平與模擬數字轉換器的測量范圍匹配，提高模擬數字轉換器在測量過程中的分辨率。

信號調理電路是由程控放大電路與低通濾波電路組成，成孔放電電路的放大倍數會根據具體情況產生變化，而通過FP-GA器件的程序控制會根據輸入信號的大小而發生改變，保證當輸入不同大小的信號時，輸出的信號的變化幅度不大，仍保持在相同的范圍以內。調理電路中的主要組成為濾波電路，當系統開始對教學實驗的數據采集時，傳感器監測到的信號通常情況下時由多個不同頻率的分量構成的，在采集過程中信號中除了有效信息外，還包含一定的噪聲信號，影響采集精準度因此采用合理的電路選擇性的將干擾信號過濾，完成信號調理電路的主要工作。

1.3模擬數字轉換器設計

模擬數字轉換器的精準度直接影響本文教學實驗數據采集系統的精準度和采集速度，因此根據系統的需要選擇型號為AD9224ARSZ的16位半閃速結構模擬數字轉換器，該型號模擬數字轉換器不僅具備高速模擬數字轉換的功能，其內部還具備采樣保持電路，簡化外圍電路設計。可以將單片機、PLC/DCS、儀器儀表輸出PWM方波信號的占空比經隔離轉換為標準4-20mA/0-10V模擬信號，實現單片機PWM信號的隔離放大和顯示控制功能。模擬數字轉換器同一模塊內集成了多路高隔離DC/DC電源、模擬放大與變換電路、PWM信號隔離控制電路等，適用于在教學實驗過程中將實驗產生的PWM信號還原隔離變送，單片機、現場總線、以太網物聯網、PLC/DCS上位機對多路傳感器信號采集和分析。該型號模擬數字轉換器主要性能指標為：10V單電源供電;16位分辨率;最大轉換速率為25MSPS;轉換數據的等待時間為1.5個始終。

外部時鐘信號由AD9224ARSZ的C時鐘信號輸入腳傳輸，由內部的時鐘信號發生器轉換為三路時鐘信號，用于驅動兩路采樣比較器，由編碼器生成數字信號，由高四位和低四位合并形成最終的14位傳輸數據。

2 基于FPGA的教學實驗數據采集系統軟件設計

本文基于FPGA的教學實驗數據采集系統的軟件部分用于實現FPGA芯片對系統外圍電路的控制，并完成對采集到的教學實驗數據存儲和處理的工作。圖2為本文系統的軟件流程設計示意圖。

本文系統軟件部分分為模擬數字轉換、數據存儲、數據處理、數據顯示、串行通信控制以及鍵盤按鍵控制六個部分。本文系統的軟件工作流程為：首先，通過對鍵盤的按鍵操作發出對應的信號將模擬數字轉換器啟動，在時鐘信號的控制中，FP-GA芯片內部的模擬數字轉換控制將信號有序的轉為兩路，并分別存放在存儲器當中，其中一路的信號送到數據處理模塊中，完成對數據的快速傅里葉變換，再送人到顯示器中實現對教學實驗數據的實時顯示。另一路通過串行通信控制將信號送人到連接的上位機中完成對數據全面復雜的處理，并將數據存儲在上位機中。

存儲模塊是在系統運行過程中將存儲器結成一個環，并在其內部設定對應的讀指針和寫指針，用于完成寫址操作，通過兩個指針的大小判斷存儲器此時的讀寫狀態。當系統對存儲器進行寫數據時，寫指針會隨著數據的錄入而增加，當存儲器進行讀數據時，讀指針也會隨著數據的錄入而增加。為了進一步保證本文系統對教學實驗數據傳輸的準確性，在使用模擬數字轉換、顯示和通訊時對數據進行緩沖處理。

3 實驗論證分析

選用兩臺計算機，其中一臺用于模擬教學實驗時產生的數據，另一臺用于模擬與系統相連接的上位，將實驗數據顯示。分別利用本文提出的基于FPGA的教學實驗數據采集系統與傳統的數據采集系統對5次教學實驗過程中產生的數據進行采集，并根據上位機中得到的數據信息比較兩個系統對實驗數據采集的時間，繪制如圖3所示的實驗結果對比圖。

根據對比實驗及圖3中的數據可知，本文系統在對5次教學實驗數據采集的最多耗時20.47ms，而傳統系統的5次教學實驗數據采集最多耗時為76.14ms。從總體來看，本文系統的平均數據采集時間明顯少于傳統系統。因此通過對比實驗證明，本文提出的基于FPGA的教學實驗數據采集系統有效縮短了教學實驗數據采集的時間，進一步提高了系統的采集效率，充分滿足教學實驗對數據采集高效性和精準性需要。

4 結束語

數據采集時獲取信息的基本手段，通過本文研究提出了一種全新的教學實驗數據采集系統，該系統具備完整數據采集與處理的基本功能，可作為教學實驗設備使用。通過本文研究希望為數據采集系統的實際提供全新的設計思路。

參考文獻：

[1]任磊磊，余佩炫，羅萃文.基于CompactRIO的中性束高壓平臺電源數據采集系統設計與應用[J].計算機測量與控制，2019，27（1）：181-184，189.

[2]張嘉霖，王世隆，魏一鳴，等.基于FPGA硬件時間流與GPS的同步采集系統設計[Jl.實驗室研究與探索，2019，38（10）：84-87.

[3]楊飛，穆向陽，趙勇勇.基于FPGA的微弱信號高速數據采集與處理系統設計[J].工業控制計算機，2019，32（11）：48-49，51.

[4]李海濤，李斌康，阮林波，等.用于脈沖輻射場診斷的大動態范圍數據采集系統研制[J].現代應用物理，2019，10（4）：83-88.

【通聯編輯：張薇】

基金項目：本項目由黃河交通學院焦作市面向現代物流服務業的RFID工程技術支持

作者簡介：解博江（1991-），男，河南駐馬店人，碩士研究生，助教，研究方向：智能信息處理;朱永琴（1984-），女，河南鄭州人，學士，講師，研究方向：數字系統設計。