基于FPGA的多路无线数据采集系统设计

李锦明，刘梦欣，成乃朋，成雅丽

(中北大学仪器与电子学院，山西 太原 030051)

0 引 言

随着工业、农业、医疗、仓储行业的不断发展，需要监测的数据对象逐渐增多[1]。数据采集是监测控制系统的关键部分，也是最为核心的部分，如何有效获取多路数据并进行可靠地存储传输成为关键的问题。

在实际应用中，数据的多路采集一般采用模拟多路复用器配合AD转换器实现[2-3]，数据的可靠传输多采用串口、网口等有线传输方式实现。然而，对于煤矿、油井、海洋探测等特殊环境，有线传输已无法满足数据通信的需求。

针对数据采集系统存在的有线传输局限性问题，本文设计一种基于FPGA的多路无线数据采集系统，由FPGA控制模拟多路复用器与AD转换器实现多路数据采集并完成数据的编帧处理，将处理后的数据存入Flash中，防止数据丢失，采用ZigBee无线通信技术实现采集数据的无线传输[4-5]。

1 系统总体设计

本系统设计的无线传感网络节点电路主要由FPGA主控模块、AD转换电路、Flash存储模块、无线数据传输模块、电源管理模块等组成。系统总体设计框图如图1所示，以FPGA为控制单元，模拟多路复用器配合AD转换器完成64路模拟信号的采样量化，FPGA对数据进行FIFO缓存和编帧操作，通过控制Flash模块完成多路数据的存储，由无线数据传输模块实现数据的无线传输。

本设计以采集64路模拟信号为例，系统的工作过程如下：上位机发送有效指令，命令系统开始工作，该指令由无线数据传输模块接收后发送至FPGA，FPGA通过对模拟开关相应地址的选通信号及AD转换器片选信号的控制，将调理电路处理后的多路待采样信号由AD模块转换成数字信号并传输给FPGA，FPGA对采样量化后的数据进行编帧处理后存入写FIFO中，待写FIFO半满标志有效，将数据传输至Flash存储模块。当读数据信号有效，则在FPGA控制下将数据读出至读FIFO中并发送给无线数据传输模块进行传输，最后由上位机软件对数据进行处理和显示。

2 系统硬件电路设计

2.1 数据采集模块设计

数据采集模块由模拟开关及AD转换器组成，选用4片16通道模拟多路复用器ADG706，负责实现64路模拟信号地址切换，该芯片导通电阻小、切换速度快、切换时间仅为40 ns，符合AD7904的1 MS/s采样要求，能够满足系统设计需要。AD芯片选用4通道的AD7904，该器件采样率可达1 MS/s，采样位数为8 bit，具有体积小、功耗低等优点。

图2为AD7904控制寄存器位功能图，通过配置控制寄存器将AD7904设置为二进制编码格式，4通道循环采集，采集电压范围为0~2.5 V。

图1 系统总体设计框图

图2 AD7904控制寄存器位功能图

如图3所示，AD7904的4个输入通道分别与4片ADG706的输出端相连，通过FPGA控制A3-A0实现模拟开关地址的选通。系统正常工作时，FPGA通过对AD7904的芯片设定及ADG706的地址切换控制，使其完成对应地址下信号调理电路输出电压信号的循环采集，经AD转换后送至FPGA进行编帧处理。

2.2 Flash存储模块设计

由于FPGA内部FIFO资源有限，对于长时间、大数据量的存储无法保证数据存储的可靠性,故而在该系统中先将数据存储至大容量Flash中，待系统收到有效的读数据信号，再将数据读取至FIFO中进行无线传输。FPGA与Flash的连接电路如图4所示。

2.3 无线数据传输模块设计

近年来，无线通信技术发展迅速，常用的短距离无线通信技术包括红外通信技术（IrDA）、蓝牙通信技术（Bluetooth）、WiFi通信技术和ZigBee通信技术[6]。

图3 ADG706与AD7904电路连接图

图4 Flash与FPGA的电路连接图

通过表1对短距离无线通信技术参数及特点进行比较，可发现WiFi通信技术与ZigBee通信技术都可实现本系统的无线传输模块，但考虑到Wi-Fi通信技术抗干扰能力弱，且WiFi功耗高，故而本设计采用功耗低、时延短、容量大且安全性能高的ZigBee通信技术来实现无线数据传输。

无线数据传输网络主要包括终端节点设备、路由器设备及协调器设备，数据由终端节点设备进行发送，路由器设备进行中继转发，协调器设备传输至上位机，三者协调工作实现无线数据传递。采用CC2530作为ZigBee无线通信的构成芯片，该片上系统兼容IEEE 802.15.4，支持ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE标准，且功耗低、抗干扰能力强，可通过Z-stack协议栈[7]完成芯片的配置与组网操作[8]。ZigBee协议具有更好的交互操作性、节点密度管理、支持网状网络、低功耗且具有较高的安全可靠性，使得节点通信距离更远，组网性能稳定[9-10]。该ZigBee模块通过串口完成与FPGA的数据交互，通过配置，将其设置为终端节点数据发送模式[11-12]，通过与FPGA的硬件连接组成无线数据传输模块，如图5所示。

在无线数据发送过程中，为保证ZigBee网络数据传输的准确性，降低系统误码率，采用蛇形天线进行信号发射[13]。

3 系统软件设计

系统软件设计流程如图6所示，其中系统初始化主要完成AD控制寄存器配置、FPGA初始化等操作。具体工作过程如下：系统开始工作，FPGA完成AD7904内部控制寄存器数据参数配置后进入等待触发状态。当系统接收到有效触发信号，开始启动数据采集，通过FPGA控制ADG706确定传送给AD转换器的通道电压信号。而后，对采集数据进行编帧处理，并暂存于FPGA写FIFO中，待写FIFO半满信号有效将数据传输至Flash。当系统收到有效数据发送请求时，将Flash中数据读取至读FIFO中，并由无线传输模块进行传输。

4 系统测试结果及分析

为了测试系统的有效性和稳定性，FPGA芯片选用Xilinx公司生产的Spantan-6系列XC6SLX25-2FTG256C芯片，该器件内部集成24 051个逻辑单元，拥有936 kb的块RAM与186个用户定义I/O口。由信号发生器产生三路不同的信号，分别为正弦信号、方波信号和余弦信号，波形周期均为10 ms，幅值为5 V，其他通道均为0 V电压信号，用于检测系统传输的稳定性和可靠性。

表1 常用短距离无线通信技术参数及特点

图5 无线数据发送模块

图6 系统软件设计流程图

图7为上位机软件对接收数据进行处理得到的相应波形显示。观察可得，测试信号经采集、存储及无线传输后还原的信号波形稳定，无毛刺，波形周期为9.8 ms，幅值为5 V，与信号发生器产生的待采集信号一致，且接收到的0 V电压信号波形无纹波与毛刺，表明该系统传输稳定、性能可靠，可实现预定的采集、存储及无线传输功能。

图7 上位机波形显示

在具体的工程实践应用中为增大系统的抗干扰能力，可在数据进行无线传输前进行信道编码处理，进一步保证系统的可靠性和稳定性。

5 结束语

本文通过FPGA与ZigBee的结合使用，实现多因素复杂区域的数据采集及无线传输。无线数据采集系统通过对三种不同波形信号的采集，验证了系统功能的有效性和稳定性。系统体积小、功能模块化，可根据测量环境选择不同的模拟多路复用器并更改相关的控制程序，完成特定路数的数据采集，对于较远距离的无线采集，可增加中继器的个数来实现。