基于FPGA的多路数据采集系统设计

摘 要：数据采集系统是现代检测控制技术的关键，是模拟域与数字域之间的纽带，广泛应用于诸如军事、工业控制、深海测量等各领域，目前常用的是专用数据采集卡。相比较专用采集卡，基于FPGA设计的数据采集系统具有多功能、高效率、易升级、低功耗等优点。实验结果显示，本系统可以采集的电压值变化范围为0～5 V，精确度能达到0.02 V。系统显示可以实现单通道显示与多通道巡检显示切换。

关键词：可编程逻辑;数据采集;硬件语言;模数转换

中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）01-00-03

0 引 言

随着电子工业技术迅速发展，对数据采集系统的许多技术指标，如采样率、通道数、数据处理速度等提出了很高的要求[1，2]。快速高精度完成多路信号的采集以满足工业现场的控制和检测要求，一直是数据采集技术重要的研究方向[3-5]。本次设计研究多路电压数据采集的实现方法，设计一个多路电压数据采集系统，并分析提高数据采集速度和精度的因素。

1 系统实现

1.1 系统功能

本系统主控器能对10米内的8路电压数据进行采集并显示。主要包括：测试用电压源设计。数据采集器第1，2路输入1～5 V可调直流电压，第2～7路分别输入5 V，4 V，3 V，2 V，1 V，0 V直流电压（用于参照实验）。主控器：主控器通过串行传输线路对各路数据进行采集和显示。采集方式包括循环采集（即1路、2路、……、8路、1路……）和选择采集（任选一路）两种方式;循环采集间隔1 s;系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

1.2 直流稳压电源

根据系统要求，需提供+12 V、-12 V、+5 V的电压。因此采用了滤波电容、防自激电容及固定式三端稳压器LM7912、LM7905、LM7812等器件设计了精度较高、稳定度较好的直流电压稳压电源。

1.3 A/D转换器

本设计选用的是逐次逼近式A/D转换器ADC0809。其最大输入电压5 V，对0～5 V的采集精度为5/255=0.02 V;所以整个系统的精度也为0.02 V。A/D决定了本设计所测电压范围为0～5 V，如果扩展量程范围，可在其输入电路中添加乘法器使大电压降低至可控范围。

1.4 通信电路

本系统所用双绞线采取了双向传输、多路复用的方法。即地址同步脉冲与数据同步脉冲共用一根同步脉冲线，地址与数据共用一根数据线。接口电路采用RS 485标准接口。

1.5 数据采集块设计

数据采集块（从机）FPGA控制ADC0809芯片工作，将采集到的八路模拟电压信号串行码送入传输线路。顶层Block原理图构建如下（图2）。具体每个模块用VHDL代码在Quartus II 9.1实现。

图2 数据采集块顶层Block原理图

aaa模块用于ADC0809的控制，其输入输出I/O口分别对应接ADC0809的CLK， START，EOC，IN[7..0]接din[7..0]。其中时钟clk输入为65 kHz。ADC0809控制模块如图3所示。

cb模块用于实现二进制数字信号变串行码输出。其中输出端口d输出串行数据;sign为数据并串输出标志;din[2..0]为选择通道的地址输入;cin[7..0]为输入的二进制数字信号;clk输入2 Hz 。cb模块如图4所示。

图3 ADC0809控制模块

图4 二进制数字信号变串行码输出模块

aaa和cb模块的工作时钟65 kHz和2 Hz;分别用分频模块clk_a和clk_b对主时钟50 MHz分频获得。

1.6 主控器设计

主控器（主机）对采集到的各路数据进行采集和显示。采集包括循环采集（即1路、2路、……、8路、1路……）和选择采集（任意一路）。主控器顶层Block原理图如图5。具体每个模块用VHDL代码在Quartus II 9.1实现。

keyboard模块为键盘扫描模块。其功能是：按9号键循环显示各路数据和通道号;按1-8号任意一个键显示任意一路通道号和电压数据。key_hang[3..0]接矩阵键盘行线;FPGA控制循环输出行信号“1110”、“1101”、“1011”、“0111”。当没有键按下时，key_lie[3..0]列信号输入端检测到的是“1111”。当有键按下时，例如按下1键，此时key_hang[3..0]行信号输出为“0111”。行列信号相并“key_hangkey_lie”为“01110111”时，可以译键值为1。同理可以得到其它按键的编码。不同编码，译成不同键值。为了防止按键抖动，加一个计数环节防止了键的抖动。键盘扫描模块如图6所示。

control模块为显示控制模块，其程序主导思想是：当键盘值为9的时候，循环输出选择通道号和各通道对应电压数据。当键盘值是1～8任意值时，单通道数据采集显示。d_in[15..0]接键盘数据输入;d_out[2..0]为选择通道数据输出;key[3..0]为键盘值数据输出。时钟输入clk为1 Hz。如图7所示。

mchuan_to_bing模块程序的主导思想是将串行数据变成并行数据输出。par_out[10..0]输出通道地址+通道数据;ser_in通道数据串行输入; a为信号标志;时钟clk为2 Hz。如图8所示。 数据转换模块bin_to_dec的程序主导思想是：将采集的各通道数据存储下来，根据键盘所选择的通道选择对应通道的数据，将其转换成与模拟电压对应的二进制数据。c_in为通道+数据输入;d_in为键盘选择的通道数据输入;key_in为键盘值的数据输入;key_out，c_out4，c_out3，c_out2，c_out1为键值和数据显示输出。如图9所示。

disp模块为显示控制块：key_in[3..0]接键盘数据;disp[4..0]为数码管扫描输出，接4位数码管位选线;disp_out为数码管数据，接数码管段选线。如图10所示。

图6 键盘扫描模块

图7 显示控制模块

图8 串并数据转换模块

图9 数据转换模块

图10 显示控制块

2 实验结果

实际测试数据列表如表1～表4所示。

表1 一通道1.00 V电压采集结果被测电压/V 测得电压/V 被测电压/V 测得电压/V

1.00 1.03 1.00 1.01

1.00 1.02 1.00 1.04

1.00 1.01 1.00 1.01

1.00 1.02 1.00 1.02

1.00 1.02 1.00 1.04

表1为通道一测试1.00 V电压数据，20次实测电压平均值为1.022 V，约等于1.02 V。

表2 一通道3.00 V电压采集结果

被测电压/V 测得电压/V 被测电压/V 测得电压/V

3.00 3.03 3.00 3.01

3.00 3.02 3.00 3.04

3.00 3.01 3.00 3.03

3.00 3.03 3.00 3.03

3.00 3.02 3.00 3.04

表2为通道一测试3.00 V电压数据，20次实测电压平均值为3.026 V，约等于3.03 V。

表3 四通道任意电压数据采集结果

被测电压/V 测得电压/V 被测电压/V 测得电压/V

1.01 1.01 3.53 3.54

1.50 1.51 4.01 4.03

2.12 2.13 4.23 4.24

2.54 2.55 4.54 4.55

3.01 3.03 5.00 5.00

表3为通道四测0～5 V任意电压数据的测试结果。

表4 一到八通道数据采集结果表

通道号 被测电压/V 测得电压/V

1 0.00 0.01

2 0.53 0.54

3 1.00 1.01

4 2.32 2.34

5 3.13 3.14

6 4.02 4.03

7 4.50 4.51

8 5.00 5.00

由测试结果知本系统能达到设计要求，精度较高能精确到0.02 V。

3 结 语

由于本系统A/D使用ADC0809，其最大输入电压5 V，故系统采集电压0～5 V;A/D采集精度为5/255=0.02 V，实测系统精度也为0.02 V。如果想扩展量程范围。可在采集器输入电路中添加降压电路使大电压降低至可控的范围;系统实际工作时稳定性较好，能够通过按键随意选择单路采集和循环采集。

参考文献

[1]林长青，孙胜利.基于FPGA 的多路高速数据采集系统[J].电测与仪表学报，2005，42（5）：52-54.

[2]吴继华，王诚.Altera FPGA/CPLD设计（高级篇）[M].北京：人民邮电出版社，200.

[3]肖金球，冯翼，仲嘉纛.高速多路实时数据采集处理系统设[J].计算机工程，2004，30（24）：180-181.

[4]王彦，单长虹，韩景瑜.基于FPGA的通用型自动配料控制系统的设计[J].计算机测量与控制，2005，13（9）：941-943.