基于FPGA的高速多通道AD采样系统的设计与实现

2018-12-21刘雨聪

电子技术与软件工程 2018年10期

文/刘雨聪

高性能模数转换器主要应用于通信、仪器仪表及医疗设备等多个领域。他对我国国防建设及科研工作的开展有着积极的促进意义。现场可编程门阵列具有着运行速度快、抗干扰能力强等优势，与之相关的FPGA系统可以让采集系统更好地满足人们的需求。FPGA和AD设备采样系统之间的有效连接，可以让人们对系统的AD转换模块的性能进行分析与验证。

1　基于FPGA的高速多通道AD采样系统的总体设计

霍尔传感器、滤波电路、AD采样芯片和FPGA是基于FPGA的多通道数据采样系统主要组成部分。以现场可编程门阵列为核心的数据采集系统可以根据上位机的指令配置和实际需求，对实时采样方式和高速采样方式进行转换，与之相关的硬件电路具有数据采集、自动电桥平衡和状态反馈功能等多种功能。在AD采样系统的设计环节，系统硬件电路的搭建方式建立在其整体结构基础之上。在需要被检测的电流电压进入滤波电路以后，滤波电路会将电流电压转换为模拟量信号，AD芯片会将经由电路处理的模拟量信号传入FPGA之中。

2　基于FPGA的高速多通道AD采样系统的实现

2.1　AD采样系统的硬件电路设计

AD7606是基于FPGA的高速多通道AD采样系统中所常用的一种高速模数转换芯片。这一设备具有着分辨率高、双极性输入效果好和具有多通道同步采样能力的特点。芯片内部的数字滤波器所具有的过采样功能可以为信号的并行输出及串行输出提供保障。在AD采样系统的硬件电路设计方面，状态机编程方式是实现AD7606的时序控制的有效方式。根据一些学者的研究结果，系统的工作电压可以被设定为3.3V，内核电压可以控制为1.2V。笔者经过相关研究以后，对这一观点持有肯定态度。JTAG配置模式也可以在AD采样系统的硬件电路设计过程中得到应用。数字电位器与控制器相结合的方案可以应用于自动电桥的平衡控制。

2.2　AD采样系统的时序程序设计

可编程逻辑控制器是应用于数字电路状态机设计的主要工具。状态机对系统的高速性、可靠性和稳定性有着较为重要的影响。相比于CPU系统所使用的按照指令逐条运行的运行方式，由状态机构成的硬件系统的工作速度要远远高于CPU系统的工作效率。从FPGA高速采样系统的研究现状来看，基于4通道时间交织的FPGA高速采样系统已经成为了学者较为关注的内容。在对AD采样系统的可靠性能进行分析以后，我们可以发现，FPGA系统的应用，具有让状态机系统摆脱对软件系统的依赖性的作用。CPU运行软件过程中出现的故障并不会对基于FPGA的高速多通道AD采样系统的运行效率构成威胁。

数据读取模块是这一系统中的一项重要内容。本系统中所使用的数据读取模块采用的是状态机的形式。在完成CS信号线和RD信号线的时序设置以后，程序可以以BUSY信号所产生的中断信号，对转换状态进行确定。一般情况下，AD7606的转换信号为CONVSTA信号和CONVSTB信号。在Verilog HDL硬件语言应用于这系统的时序程序设计以后，人们可以利用状态机控制采样芯片的控制时序和读取时序。状态机方式在控制时序及读取时序领域的应用，有助于采样速率及采样稳定性的提升。将读取的数据存储于双口RAM的设计方案的应用，具有着提升效率的作用。

2.3　AD采样系统的软件设计

AD采样系统的软件设计与以下因素之间有着较为密切的联系：

（1）ADC控制模块的建构；

（2）存储器模块的设计；

（3）自动电桥平衡模块、指令识别模块及数据识别模块的建构。

数字滤波技术是ADC控制模块数据输出环节所不可缺少的技术。中值滤波法和滑动平均滤波法的应用，有助于降低随机干扰和脉冲干扰对滤波效果的影响。存储器模块具有着实现高速存储和低速读取的作用。闭环反馈控制原理在自动电桥平衡模块中的应用，可以为系统构建一种自动化、快速化的电桥平衡调节体系。指令识别模块和数字识别模块等模块有助于选择向上位机传送的数据的类型及数据来源。

3　基于FPGA的高速多通道AD采样系统的实验结果

3.1　数据采集实验

数据采集实验是验证AD采样系统的系统工作稳定性的实验。试验过程信号发生器为主要信号源，试验过程中所应用的三角波、方波及正弦波的幅值分别为±1V、±2V和±3V。系统所接入的稳压源的恒定电压值为4V。在以200Hz的频率借助上位机采集系统进行数据采集以后，我们可以发现，基于FPGA的多通道高精度AD采样系统具有完成实时采样频率为2.88kHz及高速采样91.5kHz的数据采集的能力。

3.2　采样系统准确率测试

在采样系统准确率测试环节，相关人员将Altera公司生产的EP2C35F672型FPGA设备应用于可编程逻辑控件之中，Tektronixs公司生产的AFG3052C型波形发生器应用于AD采样系统之中。假设采样系统的采样周期为4μs，波形发射器所产生的信号幅值在-10V至+10V之间。采样系统的采样理论值与采样实际结果之间的最大误差仅为0.1%，这一试验结果表明基于FPGA的多通道高精度AD采样系统在采样系统稳定性及误差性方面达到了规定要求。