基于FPGA的高速数据采集系统设计与仿真

本科毕业论文题目基于FPGA的高速数据采集系统设计与仿真学院工学院专业农业电气化与自动化毕业届别2013姓名杨新华指导教师杨婉霞职称讲师甘肃农业大学教务处制二〇一三年五月杨新华：基于FPGA的高速采集系统设计1目录摘要......................................................................2关键词....................................................................2前言......................................................................21系统总体方案设计.......................................................31.1需求分析.......................................................31.2系统实现方案...................................................41.3系统各模块芯片选型.............................................51.3.1模数转换芯片选型............................................51.3.2FPGA芯片选型...............................................61.4系统的采集速度与FIFO的存储容量..................................71.4.1系统的采集速度...............................................71.4.2FIFO存储容量.................................................72硬件电路设计...........................................................82.1硬件电路设计工具介绍...........................................82.2硬件详细设计...................................................82.2.1硬件整体方案设计............................................82.2.2详细电路设计................................................83程序的设计与实现......................................................133.1FPGA设计与仿真工具............................................133.1.1FPGA结构..................................................133.1.2FPGA设计流程..............................................143.1.3QuartusII介绍............................................153.1.4硬件描述语言VHDL简介......................................163.2时钟管理模块的设计与实现......................................163.3数据采集控制模块的设计与实现..................................173.3.1状态机介绍.................................................183.3.2AD9288时序控制的设计与仿真................................183.3.3AD7278时序控制的设计与仿真................................203.4数据缓存模块的设计与实现......................................233.4.1FIFO介绍..................................................233.4.2FIFO的实现与仿真..........................................243.5总体电路图....................................................253.5.1并行AD控制电路.............................................253.5.2串行AD控制电路............................................26结论.............................................................27参考文献...........................................................28致谢...............................................................29杨新华：基于FPGA的高速采集系统设计2基于FPGA的高速数据采集系统设计与仿真（xxxxxx电气化及其自动化，甘肃兰州，730070）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。通过高性能的FPGA芯片与高速ADC相结合来实现高速采集数据的目的。文中详细的介绍了并行接口和串行接口的AD芯片、FPGA芯片的选型，硬件电路设计及其硬件电路设计工具、FPGA程序设计所使用的工具和语言。接着介绍了FPGA内部各模块设计，其中分别介绍了FPGA芯片、时钟管理模块的设计与仿真、采集控制模块与缓冲模块的设计过程并给出了仿真波形。关键词：FPGA数据采集VHDL语言DesignandSimulationofhigh-speeddataacquisitionsystembasedonFPGAXxxxxx(MajorinAgriculturalElectrificationandxxxxxUniversity，GansuLanzhou，730070）Abstract:ThispaperintroducesahighspeeddataacquisitionsystemisthecorelogiccontrolmodulebasedonFPGA.ThroughtheFPGAchipwithhighperformanceandspeedADCtorealizethecombinationofhighspeeddataacquisitionobjective.ThispaperdescribesindetailtheselectionofADchip,parallelinterfaceandserialinterfaceoftheFPGAchip,toolandtoolforthedesignofFPGAprogramlanguage,usedinthedesignofhardwarecircuitdesignandhardwarecircuit.AndthenintroducesthedesignofeachmoduleinFPGA,whichwereintroducedbyFPGAchip,theclockmanagementmoduledesignandsimulation,acquisitioncontrolmoduleandbuffermoduledesignprocessandgivesthesimulationwaveforms.Keywords:FPGAdataacquisitioninVHDLlanguage前言在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常需要对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等信息的采集。在图像处理、瞬态信号检测、软件无线电等一些领域，杨新华：基于FPGA的高速采集系统设计3更是要求高速度、高精度、高实时性的数据采集技术[1]。数据采集系统的任务，就是将采集传感器输出的模拟信号进行处理并转换成计算机能识别的数字信号，由计算机进行相应的计算和处理来满足不同的需要，得出所需的数据。数据采集系统性能的好坏，是由它的精度和速度来决定的。在保证精度的前提下，应当用尽可能高的采样速度，这样才能满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求[2]。在传统的数据采集系统中，A/D的控制和数据的转存均是通过CPU或者MCU来完成。在这种方式下，将A/D转换的结果读入，然后再转存到片外的存储器中这一过程至少需要4个机器周期。即使对于ARM芯核的单片机（CPU采用流水线结构一个机器周期占一个CLK），使用33MHz的晶振，它的最高转存数据速度也只达到8Mbyte/s。在高速数据采集系统中，这种方式一方面占用太多CPU资源，另外也远远不能满足高速采集的速度要求[3]。在许多应用场合，如雷达、声纳、图像处理、语音识别、地质勘探、光时间域反射测量等，特别是在实时性要求比较高的情况下，往往都需要高速或超高速(UltraHighSpeed)数据采集系统。比如相较于供电传输线上高达几千伏的电压变化，浪涌电流的持续时间仅仅是数百纳秒，因此数据采集系统必须具有极高的通过速率才能准确的探测浪涌电流的变化过程；又如在航空航天领域中，无论是航天器颤振和抖振特性测试，还是运载火箭喷气流量动态测试，抑或高空拍摄图像传输等均要求使用高速采集技术来加以实现；此外，高速数据采集技术在等离子体诊断，生物光谱与激光化学等其它各类科学研究中同样有很广泛的应用[4]。FPGA（现场可编程门阵列）凭借其在数据采集控制方面的高性能和便于系统集成、易扩展等优势逐渐受到广泛应用。高性能的FPGA和高速的A/D应用于数据采集系统中，不仅可以大大提高系统的测量精度、数据采集处理速度、数据传输速度等[5]，还可以产生巨大的经济效益，因此，对其做进一步研究具有十分重要的现实意义。1系统总体方案设计1.1需求分析数据采集系统——DAS(DataAcquisitionSystem)是模拟量与数字量之间的转换接口。它在自动测试、生产控制、通信、信号处理等领域占有极其重要的地位。而高速数据采集系统更是航天、雷达、制导、测控、动态检测等高技术领域的关键技术。高速数据采集系统中的采样频率一般在几十MHz到几百MHz，而微机系统由于操作速度的限制，不能够直接参与数据传输。为了实现高速数据的采集，本文设计一个高速数据采集系统，该系统的主要功能包杨新华：基于FPGA的高速采集系统设计4括A/D转换、提供数据接口、能够独立控制AD工作。首先，为了实现A/D转换，系统中需要采用高速的AD，完成数据的高速采样与转换。其次，为了实现从数据采集到数据输出的高速运行，需要具有能够控制ADC工作的模块，根据ADC的工作时序控制AD的运行。最后，为了提供系统与其他系统之间的数据接口，需要数据缓存模块，当模拟信号经高速AD数字化后，先直接送缓存区暂存，然后再将数据送至其他系统进行相关的处理、运算。此外，为了保证整个系统的正常工作，还需要为该系统设计时钟管理模块，为系统各部分提供正常工作的时钟。1.2系统实现方案系统总体框图如图1.1所示。首先对模拟信号进行信号调理，将电信号调整到ADC的输入范围内，然后对信号进行A/D转换。FPGA将采样得到的数据送到缓存，存放至缓存中的数据通过数据接口送至MCU。系统的所有时钟由FPGA统一产生，