基于FPGA的A-D数据采集系统的设计.pdf

基于FPGA的A-D数据采集系统的设计.pdf

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中文摘要中文摘要数据采集系统作为获得信息的重要途径，是对被控对象的检测和数据管理的重要技术之一。

目前，数据采集技术已经广泛应用于工业生产、交通设备、医疗器械和生物工程等领域。

随着计算技术的发展和各种功能的芯片的出现以及随之出现的EDA设计软件的改善，数字采集技术正朝着高速度、高性能和易操作方向发展。

本文介绍了一种常见的数据采集系统的结构，设计了系统主要的硬件电路，包括前端的AI）采集和基于FPGA的AD接口设计。

根据每个模块的功能完成软件设计，包括利用FPGA目标器件设计AD采样控制器，完成控制ADC0809的工作，并通过计算机时序仿真结果验证了该控制器的正确性。

所有这些功能都采用VHDL语言进行设计。

论文深入研究了基于FPGA的数据采集技术、外围硬件设计和VHDL实现的逻辑设计与验证。

硬件方面进行了详细的电路设计和芯片选型，最后选择ADC0809高性能ADC、CycloneII系列高端FPGA芯片。

软件方面基于QuartusII平台开发，采用自项向下的流程进行FPGA的逻辑功能的开发。

关键词：

数据采集；FPGA；ADC0809；VHDL黑龙江大学硕士学位论文AbstractThedataacquisitionsystemisanimportantwaytogaininformation，isoneofimportanttechnologiestodetectthecontrolledobjectandmanagedataCurrently,dataacquisitiontechnologyhasbeenwidelyusedinindustrialproduction，transportationequipment，medicalequipment，bio-engineeringandotherfieldsWiththedevelopmentofcomputingtechnology,theemergenceofmultifunctionchipandtheimprovementofEDAdesignsoft-ware，thedigitalacquisitiontechnologymovetowardshigh-speed，high-performanceandeasy-operationdirectionThisarticledescribesthestructureofacommondataacquisitionsystem，designsystemhardwarecircuit，includingfrontADacquisitionandADinterfacedesignbasedontheFPGAAccordingtothefunctionofeachmoduletocompletethesoftwaredesign，includingusingaFPGAtargetdevicetodesignADsamplingcontrollerandcompletingthecontrolworkofADC0809ItprovesthecorrectnessofthecontrollerbycomputertimingsimulationAllofthesefunctionsaredesignedbyVHDLlanguageThepaperstudydataacquisitiontechnologybasedonFPGA，PeripheralhardwaredesignandlogicdesignandverificationbasedonVHDLindetailIntermsofhardware，thecircuitschematicdesignandchipselectionalefullydiscussedADC0809andCycloneIIseriesFPGAchipareusedinthesystemfinallyIntermsofsoftware，itUseStop-downprocesstodeveloplogicalfunctionbasedonQuartusIIplatformKeywords：

Dataacquisitionsystem；FPGA；ADC0809；VHDLII目录中文摘要IA】jlSTRACTII目录III第1章绪论111课题研究目的及意义1111研究目的1112研究意义1113国内外同类课题研究的现状及未来发展趋势312主要研究的内容513本章小结5第2章数据采集系统主要模块721数据采集系统控制模块的选取7211数据采集系统模块的基本结构8212数据采集系统流程设计一922数据采集系统采样模块的选取12221AD转换器的主要技术指标12222数据采集系统采样模块工作原理1523本章小结18第3章系统开发语言及应用软件1931数据采集系统的硬件开发语言19311系统语言选择19312系统选择VHDL语言的优势1932数据采集系统应用软件20321采集系统软件选择20黑龙江大学硕士学位论文322采集系统选用QuartusII软件优势2l323设计流程2133本章小结21第4章数据采集系统实现与仿真2341AD采样控制器设计与仿真23411采样控制器设计2341，2程序仿真28413ADC0809电路图和实验版3042本章小结30结仑31参考文献32致谢37独创性说明38第1章绪论第1章绪论11课题研究目的及意义111研究目的数据采集就是把模拟信号经过特定方法转变为数字信号，把转变好的数据信号通过微机进行信号存储、信号处理、信号显示以及信息打印的这一完整过程n1，我们把能够实现数据采集功能的系统统称为数据采集系统旺3，他是设备、检测仪表信息自动采集的基础。

现场可编程逻辑门阵列（FPGA）是新型大规模可编程逻辑器件，在20世纪90年代后期得到迅猛发展，是目前实现数据采集系统的主要器件之一。

现场可编程逻辑门阵列开始在数据采集领域应用后口1，因为现场可编程逻辑门阵列本真具有时钟频率高以及内部延时小，并且现场可编程逻辑门阵列全部控制逻辑都是由硬件完成的等优点，使现场可编程逻辑门阵列在数据采集系统的设计方面优势突显，逐渐成为数据采集系统未来发展方向上的一种趋势H吲。

现场可编程逻辑门阵列使数据采集系统设计灵活方便，缩短了开发设计所需要的周期，降低了设计制造产生的成本，并且具有串行、并行工作方式，在系统集成度、采集速度和系统可靠性等方面都有了显著提高，在高速工业生产领域应用效果尤为突出6-8o数据信息采集系统的核心器件经过不断地研发更新，从功能简单的单片机发展到功能强大的通用型器件，再到功能更为强大、采集速度更高、性能更好的嵌入式芯片经过了一个不断探索的漫长过程1。

在性能好、高速度数据信息采集实现方面，国内外基于现场可编程逻辑门阵列的中、低端数据采集系统使用较多的采样率通常在100KSPS250MSPS之间，高端数据采集系统中系统最高采样率能可达到4GSPSn0。

，也就是说，由现场可编程逻辑门阵列和AD转换器的组成的系统采样率的量级已经到达了GHz。

112研究意义黑龙江大学硕士学位论文早期数据采集系统一般是由功能简单的芯片搭建的，采集速率和精度都不高，采集过程复杂，需要数模转换器、信息存储设备和附加电路配合才能完成采集工作1。

尤其是像单片机或DSP这种传统意义上的芯片受到本身缺点限制，注定不能在这个领域走的太远，单片机本身的指令周期以及其处理速度等因素的影响，单片机难以达到高速数据采集系统的要求，不能满足实际高速采集的需要；由DSP组建的数据采集系统在运算速度比起由单片机组成的数据采集系统要快的多，在处理复杂的运算上也要优于单片机，可他对外围设备复杂硬件逻辑控制却很难实现。

另外，单片机和DSP的各种功能需有软件环境才能实现，同一功能下，软件执行的速度和效率要远远低于硬件，而且软件运行需要的时间一般都很长n2。

1引。

现场可编程逻辑门阵列（FPGA）在八十年代中期在PAL、GAL和EPLD等可编程器件的基础上发展起来的一种体积小、速度高、可编程逻辑器件，当现场可编程逻辑门阵列出现在数据信息采集领域后，现场可编程逻辑门阵列在数据采集系统中逐渐取缔了单片机和DSP等传统芯片。

究其原因是，现场可编程逻辑门阵列本真的控制逻辑都可由硬件完成，而且具有速度快和效率高的优点，在高数据量的高速传输控制上有着传统芯片无法比拟的优势，用现场可编程逻辑门阵列来实现数据信息采集可以很好地解决和速度问题n161。

由构成的数据采集系统在系统修改、测试以及系统升级上更方便、更快捷、灵活性更高，这是因为，我们可以将需要的硬件数字电路通过编程配置现场可编程逻辑门阵列芯片来实现，这样不但能降低我们的设计费用，缩短我们的设计周期，还能使设计更方便灵活n卜181。

调研机构Garmer在2010年初时对现场可编