基于ARM+FPGA的高精度数据采集系统设计

贵州梅岭电源有限公司 郭乾利 苏建辉 陈丽霞 杨尚国

基于ARM+FPGA的高精度数据采集系统设计

贵州梅岭电源有限公司 郭乾利 苏建辉 陈丽霞 杨尚国

随着大数据时代的来临，对数据采集系统高精度的要求也越来越高。本文介绍了目前一种基于ARM+FPGA的高精度数据采集系统的设计方法。该系统采用前端并行分时采样，后端串行多路复用的方式采集数据信息。同时对于数据误差予以处理矫正，以提高数据的高精度。最后本文指出，随着电子技术的进一步发展，这一设计方式也将会越来越多地被应用到数据的收集和处理中，并发挥出越来越大的作用。

高精度；数据；ARM+FPGA

当前，随着大数据时代的来临，各种测量仪器的性能指标也不断提升，相应对数据采集系统的要求也越来越高，高精度数据采集系统的需求十分迫切。传统的以单片机系统设计由于自身功能简单、速度慢、实时性差、对数据的再加工处理能力极为有限，因此，已经远远不能满足现实的发展需要。目前的数据采集系统主要是借助ARM处理器进行系统设计，同时引入 FPGA 器件，用来进行高速数据采集。该系统采用前端并行分时采样，后端串行多路复用的方式采集数据信息。本文仅就该系统进行简单介绍。

一、ARM与FPGA的接口设计

为了提高系统实时性效果，系统采用ARM+FPGA的架构模式，FPGA 专门用来进行高速的实时数据采集。ARM与FPGA的接口方式采用存储总线方式。 ARM 处理器通过存储器指令完成数据传输。为了避免出现高速数据采集与处理速度不匹配的问题，需要专门设计一个状态机用来专门产生一个FPGA 内部的信号，作为读 FIFO 的信号。这个信号保证了在每个读信号周期内只发生一次读 FIFO。

二、系统总体设计

整个系统由 6个主要模块组成，分别为:信号调理模块、时钟产生与分配模块、模数转换模块、FPGA 逻辑控制和数据缓存模块、PCI 总线接口模块和电源模块。系统的基本工作原理为:首先由信号调理模块对模拟信号进行基本调理后，随后由模数转换模块完成调理后的模拟信号信号的并行采样与转换工作，FPGA 模块的主要任务是实现对高速采样数据的接收和进行缓存，最后由PCI 总线接口将缓存数据传输给计算机进行后续处理。

1.信号调理模块

信号调理模块的主要作用在于将模拟信号转换成高质量输入信号。因此，首先要完成信号的基本调理，包括放大、滤波和单端转差分。系统选用AD8009 超高速电流反馈型运算放大器和巴特沃斯滤波器以及带有输出钳位电压的差分放大器，其带宽范围从 900 MHz到670 MHz，对于动态范围较高的信号具有较强的处理能力，且对后端电路具有一定的过压保护作用。

2.时钟产生与分配模块

并行多通道分时交替采样技术中最关键的一个模块就是时钟产生与分配模块。为了确保时钟相位的延时精确实现，系统选用了锁相环芯片和时钟分配芯片，满足了模数转换模块的时钟要求。

3.模数转换模块

模数转换模块的作用在将输入的模拟信号转换为数字信号，系统设计2 个 ADC 芯片。由于其采样率为 500 Msps ，分辨率为 12位，因此当以 500 Msps 对 250 MHz 的正弦波采样时，其数据可以满足系统要求。

4.FPGA 逻辑控制和数据缓存模块

系统选用 FPGA 芯片 EP2S30F6724I4 来接收模数转换模块输出的数据与时钟，完成采样数据的逻辑与时序控制 。同时选用具有 DDR2 SDRAM 内存标准的 KVR800D2N6 DDR2 内存条对采样数据进行缓存，其数据传输速率高达 800 Mbps，数据位宽为64 bit，数据存储容量为2 GB，供电电压仅 1.8 V。

5.PCI 总线接口模块

PCI 总线接口模块的作用在于将数据上传给计算机进行后续处理，为了提升传输的性能，系统使用 FPGA 实现 PCI 局部总线协议的设计，使数据传输速率达到了 33 MHz的时钟频率。同时，为了方便数据传递，采用 PCI9054 芯片可提供 2 个独立可编程的 DMA通道，有助于PFGA后期编程。

三、误差分析

由于系统使用的是并行多通道分时交替采样技术，因此，在数据采集过程中，由于 ADC 之间的基准电平、增益及并行通道间采样时钟相位不精确等因素将导致偏置误差、增益误差和时延误差的存在。误差的存在将会对数据的精确性带来较大影响，因而需要对对产生的误差进行处理和矫正。

四、误差矫正

由于偏置误差为加性噪声，矫正的方法是通过系统中设置的加法器对采集的数据予以减去，从而完成矫正。增益误差为乘性噪声，可通过增加乘法器，将采集到的数据乘以增益失配误差倒数完成矫正。时延误差可通过全通滤波器进行矫正。

五、结论

本文介绍了一种基于结合了ARM 处理器和 FPGA 之上的高速高精度采集系统，采用了并行多通道分时交替采样技术，同时为了避免数据采集过程中出现的误差，设计了处理和矫正发放，从而使系统在采集数据的时候确保了数据的高精度。如今，随着电子技术的迅速发展，体积小、重量轻、资源丰富、可靠性高，价格便宜的ARM处理器已经被广泛应用到了数据采集工作中，同时为了提升数据的高速采集，引入的FPGA处理工具，有效提升了系统的实时性和集成化程度。相信，随着电子技术的进一步发展，基于ARM+FPGA的高精度数据采集系统的设计也将会越来越多样，应用也将会越来越广阔。

[1]陈艳燕,杨小锋.基于单片机的晶体管特性图示仪[J].仪器仪表学报,2005,26(8).

[2]田家林,陈利学,寇向辉.基于 ARM 与 FPGA 的嵌入式数控系统设计[J].机床与液压,2003(6).

[3]彭刚,春志强.基于 ARM Cortex — M3 的 STM32 系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京:电子工业出版社,2011.

[4]黄其培,钟睿,段俊杰等.新型脉冲电子围栏网络化系统设计[J].计算机测量与控制,2012(9).