基于FPGA 的高速数据采集系统设计

王丹琦，吴 毅，甘晓炫

（1.新疆师范大学 物理与电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆农业大学 科学技术学院，新疆 乌鲁木齐 830091）

数据采集就是通过模数转换器（A/D）将输入的模拟信号转换成数字信号，然后送入单片机中进行处理，而对A/D转换器的启动，数据的读取，数据的传输都是靠MCU（单片机）执行指令来完成的。近年来，随着科学技术的发展，各种型号的模数转换器的性能越来越高，而与密切相连的单片机因其时钟频率较低，很难满足数据采集的实时性和同步性[1]，因此，模数转换器和单片机速度的不匹配，大大影响了数据采集系统的效率，这就要求能有一个读取数据并且暂存数据的接口电路，来作为二者连接的桥梁，为此，基于FPGA的高速数据采集系统[2-3]的研究显得极为重要。

1 系统整体设计方案

本数据采集系统主要由信号调理通路、数模转换器模块、数据存储与控制模块组成。自行设计的硬件结构框图如图1所示。

图1 系统硬件框图Fig.1 Diagram of the system hardware

信号调理模块是对两路输入信号进行调理的电路。输入信号1是频率为f1的正弦交流信号，先经过整形电路，变为数字时钟信号CLK，送入模数转换器MAX118，作为MAX118的外部时钟输入信号，控制数模转换的速率。另一路输入信号2为采样输入信号，可以是直流信号或是交流信号。当作为交流信号输入时，其频率f2是输入信号1频率f1的1/N倍。N值的大小就是输入信号2在一个周期内采样点的数量。输入信号2经过调理电路处理后，就可以成为满足MAX118输入条件的信号。

将满足MAX118输入条件的信号2送入模数转换器的任一输入通道中，模数转换器将模拟量（输入信号）转换为数字量。

本系统的FPGA设计主要包括双端口寄存器模块和计数器模块，以及一些与MAX118和MCU连接的逻辑控制。FPGA在电路中，一边与MAX118接口，一边与MCU接口，完成数据采集和数据存储的工作。在转换过程中，模数转换器MAX118的启动和读取，复位等控制功能均由FPGA完成。数据采集完毕后，FPGA与单片机之间的数据传输控制指令也是由FPGA发出并完成的。

电源部分由＋9 V电源供给，FPGA的电源分别为3．3 V和1．5 V，是用专用电源芯片转换得到，同时还转换得到5 V电源供单片机和MAX118使用，电源的输入电流最大3 A，但不应小于2 A，因为大容量的FPGA在大负荷和资源使用较多时需要的电流较大，此电源的功率可以满足正常使用，不会出现功率不够而使芯片无法正常工作的情况。

2 核心器件工作原理分析

2.1 高速模数转换器MAX118

MAX118是美国Maxim公司推出的低功耗、8位8通道的高速 A/D转换器[4]，精度小于1LSB，采样速率达到1．2 Msps。本方案采用读模式进行采样，可以设计出模数转换器工作在MODE0模式下与FPGA硬件接口电路，通过对引脚的计数，来读取数据。

2.2 现场可编程门阵列（FPGA）及单片机（MCU）

本系统的控制器件由FPGA和单片机两部分组成，在MCU+FPGA组成的电路系统中，单片机主要负责控制，而FPGA主要完成数据的采集和处理．所谓的控制，一方面是单片机直接控制外部电路，另一方面是在FPGA内部自己来写时序电路，满足单片机的读写等时序，从而实现单片机与FPGA联合控制本数据采集系统。

现场可编程门阵列选用Altera的Cyclone系列的EP1C 6Q240C8，与之相连接的单片机选择使用89C52或者52以上的单片机主芯片[5]，这主要是为了高速的串口通信考虑。

3 FPGA逻辑设计

3.1 FPGA接口电路

FPGA在整个硬件电路中负责在MAX118和MCU之间的缓冲与控制[6－7]。对于A/D来说，FPGA的主要作用是控制模数转换器MAX118的启动和转换，并暂存采样的数据，通过其内部设计的计数器，完成采样信号一个周期内采样数量的控制。对于单片机来说，当FPGA完成信号一个周期的采样后，向单片机申请中断，由单片机完成对数据的读取以及对FPGA内部计数器的复位等工作。

自行设计的硬件连接图如图2所示。

下面根据图2来具体说明采样过程。

1）MAX118工作过程

图2 MAX118与FPGA及MCU的硬件连接图Fig．2 MAX118 and FPGA and MCU hardware connection diagram

要把输入信号送入模数转换器MAX118，必须通过设置其A0，A1，A2 3个引脚来选择输入信号的通道，当A0，A1，A2 3个引脚都为低时，选中通道1，此时，输入信号被送入A/D中。并将外部时钟信号CLK同时送入MAX118及FPGA中，保证二者同时被启动。MAX118的MODE引脚被置低，工作在读模式，至此，A/D可以进行转换，8位数据从D0～D7引脚读出。

2）FPGA 控制过程

假设外部时钟信号CLK的频率f1是输入信号频率f2的32倍，输入信号在一个周期内将被采样32个点。当FPGA检测[8]到时钟信号CLK的上升沿时，开始从MAX118的数据输出端口D0～D7读数据，并将数据放入FPGA的寄存器中。同时，FPGA的计数单元开始对MAX118的INT计数，根据对MAX118时序的分析，每进行一次转换，INT都被拉低一次，那么当采样完一个周期的32个点后，INT也被计数了32次。此时，由FPGA给单片机一个中断信号，单片机通过FPGA内部设置的地址译码器开始对其存储器中的数据进行读取，而FPGA则处于等待状态。当读取结束后，单片机通过P1．0引脚给FPGA一个复位信号，将其内部计数器清零，然后再开始读取下一个周期的数据，如此循环，周而复始。

3.2 FPGA逻辑设计

本设计采用Verilog－HDL硬件描述语言进行逻辑代码设计，在QuartusⅡ[9]开发环境下，根据需求编写源代码，来完成分析综合，适配，仿真等工作，最后将生成的pof文件下载到FPGA中。

4 系统调试结果分析

4.1 直流信号采集效果

首先，输入一个直流信号进行采集，来分析采集系统的正确度[10]。

设输入信号1频率f1=160 kHz，经过整形电路变为一个方波信号，作为模数转换器的时钟信号。输入信号2为一个直流信号，设其表达式为u=1 V，然后对输入信号2进行16个点的采样，采样数据如下表所示：

上表中的采样值是经过8位的模数转换器MAX118量化编码后输出的，需要经过归一化处理后，才能用正确度公式ε=x－x来分析，其中x表示测量的均值，x表示真实值。通过计算ε=0．03。MAX118是一个8位的模数转换器，其基准电压为5 V，所以此模数转换器的分辨率为5/28=0．02，也就是A/D引起的量化误差为0．02。由此可见，系统误差中，除了量化误差外，还存在着别的误差，这是由于电路中的噪声干扰等因素引起的，是不可避免的。这个数据也表明，本设计的准确度很高。

表1 直流采样数值分析表Tab.1 DC sampling numerical analysis table

4.2 交流信号采集效果

现在，输入一个交流信号来分析采集系统的精密度[10]。精密度反映在相同条件下，对某定值做多次测量，测量值分散的程度，通过测量值的标准偏差来衡量标准差越小，表示数据越集中。

图3是由采样系统输出的测量值画出的波形图，采样数据已经作了归一化处理。

观察上图，发现只有少数采样点偏离实际值，二者的波形形状基本吻合，说明数据采集是成功的。

如表2所示，为输入正弦信号在一个周期内的32个点实际值和采样值数据。其中，采样测量值已经进行了归一化的处理。

图3 输入信号波形图与采样信号波形图Fig.3 The input signal waveform figure and sampling signal waveform figure

表2 交流采样数据分析表Tab.2 AC sampling numerical analysis table

经过以上对系统正确度和精密度的分析，可以得出，本设计的正确度和精密度都很高，也就是说系统的准确度很高。以上的数据分析结果，充分说明了这个设计系统能够正确的读写数据，稳定且可靠。

5 结束语

本设计采用在线可编程的FPGA器件作为A/D和MCU的接口控制电路，完成了模拟信号的采集，与传统的基于MCU的采集系统相比，具体采样灵活，硬件电路简单，实时性和同步性高等特点。测试数据表明，该设计能很好完成8位8通道的数据采集工作，采样准确度高，系统工作稳定。

[1]李朋勃，张洪平.基于USB2.0的高速数据采集系统[J].电子技术应用，2009（10）:109.LI Peng-bo，ZHANG Hong-ping.High-speed data acquisition system based on USB2.0[J].Application of Electronic Technique，2009（10）:109.

[2]杨海钢，孙嘉斌，王慰．FPGA器件设计技术发展综述[J]．电子与信息学报，2010，3（32）：714-715.YANG Hai-gang，SUN Jia-bin，WANG Wei.An overview to FPGA device design technologies[J]．Journal of Electronics and Information Technology，2010，3（32）：714-715.

[3]孟德刚，何国瑜.基于FPGA数据采集系统[J].电子测量技术，2004（5）:74-75.MENG De-gang，HE Guo-yu.FPGA based on design and implementation of data acquistion system[J].Electronic Measurement Technology，2004（5）:74-75.

[4]王建，陈旭力.8位8通道模数转换芯片MAX118及其应用[J].仪表技术与传感器，2001（5）:34-36.WANG Jian，CHEN Xu-lieg.8-Bit and8-Channel ADC MAX118and ItsApplication[J].Instrument Technique and Sensor，2005，24，（4）：46-48.

[5]常莉来，凌宏江．基于C8051F单片机的多通道数据采集仪[J].制造技术与机床，2010（11）：20-21.CHANG Li-lai，LIN Hong-jiang.Multi-channel data acquisition based on C8051 series[J].Manufacturing Technology and Machine Tool，2010（11）：20-21.

[6]卜英勇，鲁志佩.基于FPGA的高速数据采集系统设计及TMS320C6416接口实现[J].仪表技术与传感器，2008（7）:95-97.PO Ying-yong，LU Zhi-pei.Design of high-speed datacollecting system based on FPGA and interface with TMS320C6416[J].Instrument Technique and Sensor，2008（7）:95-97.

[7]侯朝勇，胡学浩.基于FPGA的多路同步实时数据采集系统[J].电子技术应用，2009（10）:103-105.HOU Chao-yong，HU Xue-hao.Muhi-channel synchronal real-time data acquisition system based on FPGA[J].Application of Electronic Technique，2009（10）:103-105.

[8]马建国，孟宪元.FPGA现代数字系统设计[M]．北京：北京大学出版社，2010.

[9]WAYNE wolf.FPGA-Based System Design[M]．北京：机械工业出版社，2005.

[10]钱政，王中宇，刘桂礼.测试误差分析与数据处理[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2008.