基于FPGA的ADC采集系统的设计

北华航天工业学院毕业论文I摘要基于FPGA在高速数据采集方面有单片机和DSP无法比拟的优势，FPGA具有时钟频率高，内部延时小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高，组成形式灵活等特点。因此，本文研究并开发了一个基于FPGA的数据采集系统。FPGA的IO口可以自由定义，没有固定总线限制更加灵活变通。本文中所提出的数据采集系统设计方案，就是利用FPGA作为整个数据采集系统的核心来对系统时序和各逻辑模块进行控制。依靠FPGA强大的功能基础，以FPGA作为桥梁合理的连接了ADC、显示器件以及其他外围电路，最终实现了课题的要求，达到了数据采集的目的。关键词FPGAA/D转换北华航天工业学院毕业论文IIAbstractFPGAisbetterthanmicrocontrollerandDSPinhighspeeddataacquisition,FPGAhashigherinternalclockfrequency,smallerdelaythanDSP,andallthecontrollogicofFPGAiscompletedbyhardware,FPGAhasfastspeed,highefficiency,andsoon.Therefore,thispaperintroducesanddevelopsadataacquisitionsystemwhichisbasedonFPGA.TheI/OpinofFPGAcanbedefinedyourselfwithoutfixedlimit,it’sveryflexible.ThisdesignofdataacquisitionsystemuseFPGAasthedataacquisitionsystemcoretocontrolthetimingandthelogiccontrolmodule.RelyingonthepowerfulfunctionofFPGA,FPGAcanconnectADC,displaydevicesandotherperipheralcircuits,finallywecanachievetherequirementsofthesubject,andthepurposeofthedatacollection。KeywordsFPGAA/D北华航天工业学院毕业论文III目录第1章绪论...............................................................................................................................11.1课题背景及国内外研究概况.............................................11.2现场可编程门阵列FPGA................................................11.3课题的建立以及本文完成的主要工作.....................................2第2章AltiumDesigner及QuartusII简介..................................42.1AltiumDesigner简介.................................................42.2quartusII简介......................................................52.3小结.................................................................6第3章系统硬件概况.......................................................73.1系统概况.............................................................73.2功能模块.............................................................83.2.1FPGA模块.........................................................83.2.2液晶显示器模块..................................................103.2.3电源模块........................................................133.2.4AD模数转换器模块................................................133.2.5存储模块SRAM....................................................163.2.6晶振............................................................183.2.7REF参考电源....................................................193.2.8EPCS............................................................193.2.9JTAG............................................................193.3小结................................................................21第4章程序仿真..........................................................224.1VerilogHDL程序....................................................224.2采集波形............................................................234.3小结................................................................25第5章课题特点..........................................................265.1FPGA应用...........................................................265.2FIFO缓存设计.......................................................26北华航天工业学院毕业论文IV第6章结论..............................................................27附录..................................................................29北华航天工业学院毕业论文1基于FPGA的ADC采集系统的设计第1章绪论1.1课题背景及国内外研究概况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比例，而FPGA有单片机无法比拟的优势。FPGA时钟频率高内部时延小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高[1]。数字信号处理是以数字形式对信号进行采集，变换，滤波估值，增强，压缩，识别等处理，从而得到符合需要的信号形式。而信号的处理目前有两种方式：使用信号处理器DSP通过软件编程实现；应用FPGA实现。利用软件编程虽然有很大的灵活性，但DSP所有指令的执行时间均为单周期，而且受到串行指令流的限制每个时钟周期所有的操作数有限难以实现高速大规模运算。现在大容量，高速度的FPGA采用硬件描述语言VHDL实现整个系统，允许设计人员利用并行处理技术实现高速信号处理算法并只需单个处理器就能通过模块化设计实现所期望的性能，很好的解决了上述矛盾。趋势：随着便携式设备需求的增长，对FPGA的低压，低功耗的要求日益迫切，芯片向大规模系统芯片靠近，力求在大规模应用中取代ASIC，位增强市场竞争力，各大厂商都在积极推广其知识产权和核心库，动态课重构技术的发展将带来系统设计方法的转变[2]。A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换器的工作原理：逐次逼近法，双积分法，电压频率转换法。A/D转换四步骤：采样、保持、量化、编码。1.2现场可编程门阵列FPGAFPGA（Field－ProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。北华航天工业学院毕业论文2以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。FPGA有如下特点：1．采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。2．FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。3．FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。4．FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。5．FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工