基于FPGA的高速数据采集系统的设计
更新时间:2023-05-26 04:45:01 阅读量: 实用文档 文档下载
匦圈垂烫耍匦匝圜PLD文章编号:1008—0570(2008)01…2
Desig门ofaCPLDFPGA应用020903基于FPGA的高速数据采集系统的设计High—speedDataAcquisitionSystemBasedonFPGA
(中北大学电子测抛芰术国家重点实验室)朴现磊熊继军沈三民
PjAoxtANLEIXlONGJIJUNSHENSANMIN
摘要:本文介绍了以FPGA为核心逻辑控制模块的高速数据采集系统。设计中采用了自预向下的方法,将FPGA依据功能划分为几个模块,详细论述了各模块的设计方法和控制流程。FPGA模块设计使用VHDL语言,在XilinxISE中实现软件设计和完成仿真。整个采集系统不但可实现24路最大工作频率为500kHz的模拟信号采集,而且还能完成l路系统内部信号的采集以达到自校验功能。
关键词:FPGA:数据采集:VHDL语言
中图分类号:TN409文献识别码:B
Abstract:Thehigh—speeddataacquisitionsystembasedonFPGA.whichiSthecorelogiccontrolmoduleofthesystemiSintroduced.Accordingtothemethodoftop—down.FPGAiSdividedintosomefunctionalmodules.Thedesigningmethodandcontrollingflowofeachmodulearediscussedindetail.TheVHDLlanguageiS
ofXilinxadoptedintheFPGAmodule.SoftwaredesignandsystemsimulationnotarecompletediU
maximaltheintegrationcircumstanceISE.Thesystemonlycanacquire24一routeanalogsignalswith500kHzoffrequency.butalsohastheabilityofself—checkbyacquiring1一routeinnerchannelsignals.
Keywords:FPGA。dataacquisition.VI-IDLlanguage
1引言
传统的数据采集系统,通常采用单片机或DSP作为主要控
制模块,控制ADC、存储器和其他外围电路的工作。随着数据采
集对速度性能的要求越来越高,传统采集系统的弊端就越来越
明显。单片机的时钟频率较低且需用软件实现数据采集。这使
得采集速度和效率降低,此外软件运行时间在整个采样时间中
也占很大的比例。而FPGA(现场可编程门阵列1有单片机无法
比拟的优势。FPGAl时钟频率高,内部延时小,全部控制逻辑由
硬件完成,速度快、效率高。在此技术基础上,为了满足数据采
集对速度的要求,本文就着重介绍了一种基于FPGA。采用
VHDL硬件描述语言设计实现的高速数据采集系统。开关闭合时采集系统内部1路预知信号完成系统自检功能;“采集开始”开关有效时,系统开始对24路模拟信号进行采集,当“系统自检”开关和“采集开始”同时有效时,对系统进行复位。
2系统的整体硬件设计
本数据系统以FPGA为中心、主要包括数据采集电路、通
信接口电路、电源模块等几部分。其中中心控制逻辑主要负责
产生各部分的控制信号.完成对整个系统的逻辑控制和对来自
面板的工作模式控制信号的软件消抖,并对所采数据进行编祯
处理,电源模块为该系统供电的同时,也为前端传感器提供了
+9V的供电电源
系统采用60MHz晶振输入,模式控制信号来自面板上的
控制开关,分别产生系统自检、采集开始、及手动复位三个控制
信号。系统的原理框图如图1所示:
面板上有三个控制开关.分别为“复位”开关RST,“系统自
检”开关Sl和“采集开始”开关START。RST信号为外部的手动
复位,当拨至高电平时,对系统所有的计数器清零;“系统自检”图l高速数据采集系统原理框图1.数据采集部该部分主要由一片高速AD芯片和一片Ahera的FPGA构成。由于本系统设计采样速度最大为50M,根据采样定理,采样频率至少应该在100M以上,所以AD芯片采用的是MAXIM公司的MAXl00。该芯片转换精度8位,1.8v电源供电,低功耗,最高工作速度为250MSPS。经过测试可以很好的满足系统测试要求。通常在低速数据采集系统中常使用MCU作为CPU来控制。但在高速数据采集系统中,往往会受到MCU的影响,而且随着速度的提高ADC,RAM,MCU之间的时序同步问题也会显示出来。因此本系统使用了离速、多I/0口的FPGA芯片来控制ADC和RAM等,从而很好的解决了采样速度过高和时序同步的问题。
FPGA(FieldProgrammableGateArray)是从PAL。GAL发展
朴现磊:硕士研究生
基金项目:本课题受国家自然科学基金重点项目(50535030)资助而来的阵列型高密度PLO器件,具有高密度,高速度,低功耗等特点。特别适合实现复杂的组合逻辑。根据系统要求,本系统万方数据 @瞅霸邮局订眠82躺360元,年_209一
PLDCPLDFPGA应用中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2008年第24卷第1 2期中使用的FPGA芯片型号为Ahera公司的EPFl0K10TCl44—3。电平有效,通过这三个信号就可以灵活的控制FIFO的读写。它的可用门数7000个,最大用户I/O数134,计数器的工作频CYPRESS公司为EZ—USB系列的芯片提供了固件程序和率可达200MHz。在该系统中FPGA实现的功能逻辑主要有:驱动程序模块和例程。固件程序与驱动程序可以独立的被调
(1)完成对来自面板的工作模式控制信号的软件消抖。试,且调试方便.相对于其它USB芯片,可以提高开发速度。(2)接收采集模式开关发出的开始采样信号START。实现
对ADC的控制.开始AD转换;3FPGA主要模块的逻辑实现
(3)当FIFO存储器半满时,发出一个HalfFlag信号,通知FPGA系统的硬件设计模块主要有消抖模块、采集模块两USB芯片可以读数,FIFO存储器为空时,发出一个EmptyFlag部分。采集模块又包括逻辑控制模块、时钟逻辑运算模块、时信号,提示USB芯片停止读数。钟生成模块等。下面主要就消抖和FIFO控制部分进行描述
FPGA的功能逻辑使用VHDL语言来实现,这是一种硬件和实现。
描述语言,主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。使1.消抖模块设计
用VHDL语言设计硬件电路时,可以使设计者免除编写逻辑表为了系统各工作状态更稳定,当FPGA接受到一个工作状达式或真值表的工作。这样使硬件电路设计的难度有了大幅度态信号时,启动一个计数器,若计数器能计到设置的最大值则的降低,从而可以提高工作效率,缩短硬件电路的设计周期。使认为该工作状态信号有效,否则认为无效。消抖的FPGA具体用VHDL语言实现的采集系统FPGA内部原理图如图2所示。实现方法如下所示
Lprocess(reset,fosc)
×dVARIABLEcount:INTEGERrange0to50;
百Dbegin
ifreset=707then
count:=0:
STaY)
叫outcheck<=70’:
elsiffosceventandfose=’1then
丘嚣蓝童卜——E三mu∞。…m7。jifincheck=’07then
ifcount<50then
count:=count+l:
图2FPGA内部逻辑原理图outcheck<=70’:
图中共有两个模块,xd模块主要完成对输入信号的消抖,else
能使系统工作更稳定。Sample模块是本系统的核心部分,它主count:=count;
要负责各部分的逻辑控制及AD采样数据的编祯处理。outcheck<=’17:
2.通信接口部分endif;
通用串行总线USB是一种新型的通信标准.它具有使用else
灵活,连接方便,通信速度快,能独立供电等特点。目前,越来越count:=0:
多的计算机外围设备开始采用USB的通信接口。由于本系统outcheck<=70’:
采集速度高数据量大,因此,也采用了USB通信接口。endif:
目前生产USB芯片的厂商很多.主要的产品有CYPRESSendif;
公司的EZ—USB,PHIPILIPS公司的PDUSBDl2.NationalSemiendprocess;
conductor公司r的USB961M等。本设计采用的是CYPRESS公仿真结果如图3所示:
司的带8051内核单片机的EZ—USB系列参CY7C68013。该芯
J
片采用改进的8051内核,与标准的8051指令完全兼容,除此t■一b扯删姗咖哪嘲舯雕哪删眦姗哪哪卿嘲姗I哪哪嘲H螂恻H卿珊嘲m哪嘲哪H嘲哪唧嘲ip耵c№k
之外内部还集成了存储器、智能USB接口引擎、USB收发模———]厂]l
块、串行口等。、瑚黜蜊喇煳3j[丑嘣93j[卿凇粼粼032cccccc瓣黜嘲啪删~.‘。。。。。●。。‘。。。‘‘。_。1。。1。。。。●。‘‘。。。——!
’
在USB下芯片CY7C68013和EPFl0K10TCl44—3FPGA之图3消抖模块仿真图
间采用了FIFO(FirstinFirstoutSRAM)芯片作为数据交换的缓由图3可以看出通过此方法可以消除因工作状态信号时抖冲连接,这样可以使USB接口芯片和FPGA之间的最大数据交动而引起的误操作.保证了系统工作的稳定性
换速度超过USB总线的速度,使之不会成为数据传输的瓶颈。2.F1FO控制模块设计
从而使FPGA和主机之间的数据传输速度只受USB协议限制。系统首先把采集到的数据缓存到FIFO里面,当存储达到
由于CY7C68013芯片内嵌8位805l处理器,因此使用两用户设定的余度时,便送出一个请求信号,通知USB芯片读取片FIFO芯片实现FPGA和USB接口之间的双向通信。FIFO芯数据。FIFO余度值的大小由用户自己设定,但此值原则上不能片选用具有16Kx9bits内存的IDT7206,从FPGA传输的数据过于接近FIFO的深度。因为在USB芯片响应这一请求信号,进首先保存在FIFO中,然后再由CY7C68013带走.这样使数据行读数处理的过程中,FPGA仍在进行数据的采集和存储。如果的传输不会出现堵塞的情况。对与IDT7206只具有双端数据总余度值过于接近FIFO深度,FIFO容易产生溢出的错误。因此本线和状态信号,没有地址总线,所以FPGA采用I/O译码的方式系统中以FIFO芯片IDT7206的半满作为设定的余度,当直接访问FIFO。FIF0的状态信号有空、半满和满,它们都是低IDT7206存储数据达到其容量的一半时,FPGA就会送出一个请一210—360元/年邮局订阅号:82.946万 方数据
匿墼壁堑鳖夔塑。隧鍪篓型..PLDCPLDFPGA应用求USB读取数据的信号。FIFO控制模块的信号有:异步清零(上接第202页)
aclr;读写数据q/data;读写使能rden/wren;空./半满标志ef/hf。[3]付燕.基于SOC的HDB3编译码和帧同步电路.郑州大学学报.数据data在写使能有效的情况下按照写时钟往FIFO里面存[4】段智海,黄智伟.基于CPLD—FPGA的数字通信系统建模与设
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机信息,2006,9-2:177—178。
作者简介:王晓勇(1974一),男(蒙古族),内蒙古包头人,内蒙古工
]业大学在读研究生,专业是计算机应用技术.李健(1960一),男(汉
互压](D[丑王匝豇ⅨD匝妊砸玎列互题XD至珏耍回匝妊贼厂]厂]广]厂]_]厂]广]厂]厂]厂]厂]n厂]
ki≯da8族),副教授,硕士研究生导师,中国通信学会高级会员。
¨hfJUUBiography:WangXiaoyong(1974一),male(minorityethic),—Baotou,InnerMongoliaUniversityofTechnology,postgraduate,
ComputerApplication;Li,Jian(1960一),male(Hanethic),
InnerMongoliaU.niversityofTechnology,associateprofessor,
图4FIFO控制模块仿真图tutorofpostgraduate,advancedmemberoftheChina
4结论CommunicationInstitute.
(010051内蒙古呼和浩特内蒙古工业大学信息工程学院)
本文完成高速、多通道的数据采集系统的FPGA设计.该系王晓勇李健
统具有电路简单、体积小等优点。利用EDA工具和语言对(DepartmentofinformationandengineeringInnerMongoliaFPGA进行设计、仿真和验证,这便于设计的修改和优化,大大UniversityofTechnology,Hohehot010062)
缩短了产品的开发设计周期。由FPGA具有在线编程的特点可WangXiaoYongLiJLan
以依据现场的具体隋况,对FPGA的内部逻辑配置进行修改,进通讯地址:(010051内蒙古内蒙古工业大学5#208宿舍)王晓勇一步增加了系统应用的灵活性,经测试该设计达到了满意的效(收稿日期:2007.10.13)(修稿日期:2007.12.15)果,是一种比较理想的多通道、高速数据采集方案。
文章创新点:(上接第204页)
本文设计的基于FPGA的高速数据采集系统能完成多通【2]XilinxCorporation.K9f12908datasheet【EB/OL];http:llwww.xilinx.道。高速模拟信号的实时采集.可用于对高速、大容量设备com,2001211208.
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1971年8月出生,教授,清华大学博士;专业:精密仪器及机械;Biography:LiHaihong,GraduateofNoahUniversityofChina,现从事MEMS、微系统集成等领域的研究。majorinprecisioninstrumentandmachinery.LiuWenyi,asso—Biography:PiaoXianlei,GraduateofNoahUniversityofChina,clareprofessor,majorinmeasurementtechnologyandinstru-majorinprecisioninstrumentandmachinery.XiongJijun,ment,nowspecializeindynamictestandhigh-speedsignalac—professor,majorinprecisioninstrumentandmachinery,nowquisition.
specializeinMEMSandMicro-Systemintegration.(030051山西太原中北大学电子测试技术国家重点实验室)(030051山西太原中北大学电子测试技术国家重点实验室)李海宏刘文怡张彦军
朴现磊熊继军沈三民
(NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurement(NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTech-
UniversityofChinaTaiyuan,ShanxiProvince,
Technology,NorthUniversityofChinaTaiynan,Shanxinology,North
Province,03∞51)PiaoXianLei030051)LillaiHongLiuWenYiZhangYanJun
XiongJiJunShenSanMin
通讯地址:(030051山西太原中北大学电子测试技术国家重通讯地址:(030051山西太原中北大学电子科学与技术系点实验室)朴现磊1222室)李海宏
(收稿臼期:2007.10.13)(修稿日期:2007.12.15)(收稿日期:2007.10.13)(修稿日期:2007.12.15)万 方数据@啾掰邮局订阅号:82艄360元,年-211—
基于FPGA的高速数据采集系统的设计
作者:
作者单位:
刊名:
英文刊名:
年,卷(期):
被引用次数:朴现磊, 熊继军, 沈三妹, PIAO XIANLEI, XIONG JIJUN, SHEN SANMIN中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原,030051微计算机信息CONTROL & AUTOMATION2008,24(2)5次
参考文献(3条)
1.张伟;韩一明;吴新玲 基于FPGA的高速数据采集系统的设计[期刊论文]-电力情报 2002(03)
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本文链接:/Periodical_wjsjxx200802085.aspx
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