基于FPGA和USB接口的高速高精度通用数据采集卡设计

万军华, 张国云, 罗荣辉, 王志伟, 刘立军, 何彪胜

(湖南理工学院 信息与通讯工程学院, 湖南 岳阳 414006)

基于FPGA和USB接口的高速高精度通用数据采集卡设计

万军华, 张国云, 罗荣辉, 王志伟, 刘立军, 何彪胜

(湖南理工学院 信息与通讯工程学院, 湖南 岳阳 414006)

讨论了一类基于FPGA和USB接口的高速高精度通用数据采集卡的设计方法, 该方法充分发挥了FPGA和USB的优点, 解决了传统数据采集卡的缺陷.

FPGA; USB接口; 通用数据采集卡; 信号调理

Abstract:The paper studies the method about design of universal data acquisition card of high speed and accuracy based on FPGA and USB interface. The method exerts virtues of FPGA and USB, and it resolves limitation of traditional data acquisition card.

Key words:FPGA; USB interface; universal data acquisition card; signal modulate

随着现代工业生产和科学研究的发展, 对数字信号的处理越来越频繁, 而进行数字处理的先决条件是将所研究的对象数字化, 因此数据采集日益得到重视, 对数据采集的要求日益提高. 实际上, 在瞬态信号测量、图像信号处理等一些高速、高精度的测量中, 都迫切需要进行高速数据采集; 在图像信号处理、瞬态信号检测、工业过程检测和监控等领域, 更是要求高速度、高精度、高实时性的数据采集.

现在通用的高速数据采集卡一般多是PCI卡、ISA卡和USB卡, 其中PCI卡和ISA卡存在以下缺点:安装麻烦、价格昂贵; 受计算机插槽数量、地址、中断资源限制, 可扩展性差; 在一些电磁干扰性强的测试现场, 无法专门对其做电磁屏蔽, 导致采集的数据失真. 目前市场上采样频率在10～20ms/s的USB接口卡非常少, 且基本上都存在着通用性不强、不带计数器电路、I/O数量少、精度不高等缺点. 早期数据采集卡多数是基于CPLD设计的, 这种情况下数据的采样速度和采样精度都不是很高. 而基于FPGA设计,可以较大地提高数据的采样速度和精度.

基于以上原因, 本文讨论了一类基于FPGA和USB接口的高速高精度通用数据采集卡的研制方法,该方法充分发挥了FPGA和USB的优点, 解决了传统数据采集卡的缺陷, 弥补了当前市场上该类产品的不足.

1 系统硬件设计

该系统主要由信号调理模块、14位A／D转换器ADS805模块、基于FPGA的主控模块、USB收发控制模块、片外存储器及其他辅助电路组成, 其数据的采样率可高达20 Msps; 适用于较高速动态信号的实时记录和采集, 其硬件系统总体结构框图如图1所示.

调理电路与A／D数字信号. 处理后的数据送往FPGA主控模块, 根据相关的控制信息, 通过选择先存储在外部SRAM, 然后经过相关的数字处理后再传输给上位机.转换器, 将传感器采集的模拟信号进行相关的信号调理后送入ADS805芯片转换为

图1 硬件总体框架图

2 系统模块介绍

3 软件设计及功能实现

设置栏可以修改采样深度、采样速率以及触发方式.

1. 采样率有1KHz、10KHz、100KHz、1MHz、10MHz 5个下拉选项;

2. 采样深度的最大深度为8191(8k);

3. 触发方式有立即触发(单击采样即开始触发采样)、内触发(有信号才触发采样)、外触发(外部触发信号触发采样).

设置好参数后, 单击采样, 如果是立即触发模式, 即启动采样, 完毕后有提示信息弹出; 如果是内触发模式, 等到有信号输入时自动启动采样, 完毕后有提示信息弹出;如果是外触发模式, 等到有外部触发信号输入时启动采样, 完毕后有提示信息弹出。

以上启动采样后均可在途中强制停止.

接收数据后, 信号波形会在窗口中显示. 鼠标放在波形窗口中的对应位置, 提示信息栏读出当前信号的幅度和相对时间.

保存栏可以以文本保存当前数据, 如果以文本打开, 显示为乱码.

打开栏可以打开显示历史保存数据记录.

设计的硬件实物图如图4所示.

图3 数据采集系统软件界面

图4 最终实物图

4 学术价值及意义

随着电子计算机的广泛应用, 社会的数字化程度越来越高, 数据采集也越来越重要, 本系统是一种通用的高速数据采集卡, 可用于生物电波、电子学频谱、声波分析等瞬态信号的实时采集和观察等场合. 其中基于 FPGA技术和USB接口技术的融合, 具有可靠性高、数据不丢失、抗干扰性强等优点. 同时, 可以大大提高系统处理的速度, 增强系统的灵活性和适应性, 使得数据处理能力得到了极大的提高, 可完全胜任大容量、高精度数据的高速传输, 具有良好的应用前景和很大的实用价值.

[1] 杨 波, 刘延波. 具有USB2.0接口的高速数据采集卡设计[J]. 单片机及嵌入式系统应用, 2004

[2] HYD J. USB设计应用实例[M]. 孙耀成, 译. 北京: 中国铁道出版社, 2003

[3] 龙华伟, 顾伟刚．LabVIEW 8.2.1与DAQ数据采集[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008

Design of Universal Data Acquisition Card of High Speed and Accuracy Based on FPGA and USB Interface

WAN Jun-hua, ZHANG Guo-yun, LUO Rong-hui, WANG Zhi-wei, LIU Li-jun, HE Biao-sheng
(College of Information & Communication Engineering, Hunan Institute of Technology, Yueyang 414006, China)

TP274

A

1672-5298(2010)01-0045-04

2009-10-18

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目

万军华(1969- ), 男, 湖南岳阳人, 湖南理工学院信息与通讯工程学院副教授. 主要研究方向: 工业自动化技术