FPGA在数据采集系统设计中的应用研究

郑普亮

(西安建筑科技大学 信息与控制工程学院，陕西 西安710055)

传统的数据采集系统主要是通过单片机来进行工作的，利用单片机作为控制模块以及控制存储器。然而，数据采集系统对速度的要求越来越严格，传统的数据采集系统已不能满足需求，其缺点日益暴露出来。单片机的时钟频率相对较低，主要是利用软件来实现数据的采集，速度相对较慢。FPGA恰恰与单片机相反，具有单片机没有的特性，主要通过硬件来实现数据采集，时钟频率较高，运行速度也快，在数据采集系统设计中得到了较好的应用。

1 数据采集系统设计的总体结构

(1)通过利用FPGA作为控制模块，采用FPGA加MCU的结构，FPGA在系统中起到连接MCU和集成电路的作用，MCU主要负责数据的处理以及传输。FPGA作为控制模板改变传统单片机的缺点，由FPGA来实现数据的硬件采集。首先主要是由单片机把带有任务的采集表扫描到FPGA的内部任务区，在RAM里面主要设置好采集所需要的相关寄存器，最后再实现FPGA的工作。由FPGA通过一系列的时钟运算以及逻辑运算，再按照用户的需求从而完成RAM里面的带有任务的采集表，完成任务的采集表然后保存到数据的缓存区FIFO中，达到FIFO中的余度值后，再由单片机进行余下的工作。

(2)在这个系统的结构中，通过运行FPGA在很大程度上减轻了单片机的运行时间，从而提高了数据的采集效率，也提高了数据的可靠性以及时效性。

2 设计FPGA的总体方案以及工作原理

(1)设计采集参数转换。对采集参数的转化以及任务调度的设计主要是建立所需要的硬件电路，一直等采集数据的到来就立即启动A/D，从而进行数据采集工作。如图1所示，在这个采集参数的设计中，对于快任务(Fast Task)在采集时，扫描时针开始工作主要取决于单片机对数据的采集，当单片机开始启动对数据的采集时，扫描时钟才开始运动，这时扫描周期计时器以及采样周期计时器也相继开始工作。此时，A/D采集这一次的快任务(Fast Task)，一旦Fast Task当前的寄存器得到更新，就立即进行采集参数的转换。将转换后的数据采集到A/D芯片之前的采集模拟电路中，等待下次的采集时间。

图1 参数模块转换设计

快慢任务的任务选择控制图如图2所示。

图2 任务选择控制图

(2)数据的采集和存储。在数据的采样和存储中，由于ADs8325芯片的工作特点，采集来的数据需要经过串联或者并联后转换成16位的并行数据。在内部缓存区(FIFO)控制下存储到FIFO中，如图3所示。

图3 数据采集和存储电路

3 实现FPGA的设计模块

(1)设计控制模块。控制模块主要由两部分组成:一个是control interface模块，另一个是control enable模块，主要的任务是负责图像的采集显示接口的同时使用。当完成解码芯片以后，从CONFIGURACION OK键能够输入使能信号，启动这个模块。然后再通过href以及odd信号来启动图像模块和显示接口的模块:当href=1时，表示通过UPO传输像索数据;当odd=0时，表示的是偶数场;当odd=1时，表示的是奇数场。

(2)设计Inter－Integrated Circuit总线配配置模块Inter－Integrated Circuit总线配配置模块主要是通过利用I2C总线的协议对视频解码器进行配置的，时钟率主要为20 kHz。利用这个模块能够完成对视频解码器的配置，配置模块如图4所示。

图4 视频解码器配置模块

在这个配置模块中，inicio conf表示的是启动对视频解码器进行配置，高电平是有效的;CONFIGURACION OK表示的是视频解码芯片配置好，完成后能够输出一个控制信号给控制模块，实现数据的采集;SDA和SCL主要表示的是为视频解码器相应的信号。

(3)双口RAM的设计模块。

1)主要功能。通过单片机首先将采集任务下载到FPGA的内部不缓存区中，然后当FPGA工作时，就会按照RAM中的数据进行采集。它主要的信号有WCLK，读写使能，以及WADDR和RADDR等。

2)双口RAM的设计模块的仿真。主要通过调用Max+Plus I软件中的LPM模块，选择符合设计要求的RAM来进行修改，最后进行仿真，如图5所示。

图5 双口RAM的读写时序仿真

(4)设计视频解码器的图像采集接口模块。图像采集模块主要用于图像的采集并且将模拟的视频信号转换成位数字视频信号。这个模块与视频解码器的VPO数据总线以及RTS1、RTS0相连，RTS1、RTS0分别表示的是场同步信号以及行同步信号，在这两种信号同时有效的时候，输出的数据才是有效的图像数据，反之，就是消隐信号。视频信号有效主要可以分为两种场:一种是偶数场;一种是奇数场。有效数据总共有576行，在这有效数据中，偶数场的有效数据有336－623行，奇数场的有效数据位23－310行，剩下的数据就是垂直控制信号。标准ITU YDU的格式如图6所示。

图6 标准ITU YDU的格式

(5)设计格式转换模块。对于将摄像头采集到的图像要显示在显示器上，必须对采集的图像数据进行格式转换，将YDU的格式转换成RGB的格式。YDU格式的数据是两个相邻的像素公用一对的Cb和Cr分量，因此，在进行格式的转换时应该先解交织，最后进行数据的转换，主要运用的公式是

因为在FPGA中进行浮点运算比较困难。因此，可以将上述公式经过放大进行整数的运算，放大后的公式如下所示

通过上述的公式能够得到r、g、b的结果，最后将结果都向右移动10位，最终完成除法运算，得到RGB的数值。

4 结束语

综上所述，通过利用FPGA在数据采集系统中的应用，能够使数据的运行速度加快，增加了系统的灵活性，从而提高了数据的采集效率以及增加了数据的可靠性。因此，利用FPGA进行的数据采集系统是一种比较高效的数据采集方案。

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