CN103870609B - 基于fpga的多通道通用数据采集卡及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数据采集装置，具体的说是一种特别适用于光纤测温传感器在测温过程中实现信息的采集和传输的基于FPGA的多通道通用数据采集卡及其应用，包括用于与上位机实现数据交换的通信接口，用于控制装置工作状态的控制模块以及与控制模块相连接的数据采集通路，其中数据采集通路内设有依次相连接的交/直流耦合模块、运放模块以及A/D转换模块，控制模块分别与通信接口、数据采集通路相连接，其特征在于所述数据采集通路至少为两条，本发明与现有技术相比，具有结构合理、操作简便，能够有效提高数据采集效率，降低误差、通用性更好等显著地优点。

Description

基于FPGA的多通道通用数据采集卡及其应用

技术领域

本发明涉及一种数据采集装置，具体的说是一种特别适用于光纤测振动感器在测温过程中实现信息的采集和传输的基于FPGA的多通道通用数据采集卡及其应用。

背景技术

在光纤测振动系统中，由传感器采集到的携带振动信息的数据需要通过数据采集卡进行采集和传输，当前市场上的数据采集卡，通道数最多为32个，每种采集卡只有一种通信接口，一般为USB接口或PCI接口。这些采集卡在使用时存在以下缺陷：1、通信接口形式单一，适用范围小；2、随着使用时间的加长，采集卡上器件老化造成器件参数变化，采集到的信号出现零点漂移。

发明内容

本发明针对当前市场上采集卡的以上缺陷，设计了一种结构合理、操作简便，能够有效提高数据采集效率，降低误差的通用性更好的数据采集卡及其应用。

本发明可以通过以下措施达到：

一种基于FPGA的多通道通用数据采集卡，包括用于与上位机实现数据交换的通信接口，用于控制装置工作状态的控制模块以及与控制模块相连接的数据采集通路，其中数据采集通路内设有依次相连接的交/直流耦合模块、运放模块以及A/D转换模块，控制模块分别与通信接口、数据采集通路相连接，其特征在于所述数据采集通路至少为两条。

本发明中所述控制模块包括相连接的NIOSII模块、存储模块和采集控制模块，NIOSII模块与通信接口相连接，NIOSII模块和采集控制模块分别与存储模块相连接，所述通信接口包括RS232接口、以太网接口、USB接口、PCI接口、16位并口以及用于选择通信接口通路的5选1开关，采集控制模块的输入端与数据采集通路的输出端相连接。

本发明中控制模块由一片FPGA芯片实现，在FPGA芯片上形成NIOSII模块、采集控制模块以及位于NIOSII模块和采集控制模块之间的FIFO存储模块，其中采集控制模块还设有触发信号端口，用于接收外部触发信号，采集控制模块与NIOSII模块之间设有用于实现控制命令下达的采集控制总线。

本发明中设有32路采集通路，每路采集通路内设有依次相连接的交/直流耦合模块、运放模块以及A/D转换模块，其中待采集信号经交/直流耦合模块进入采集通道，依次经过运放处理、A/D转换处理后，处理后的信号经A/D转换模块的输出端进入采集控制模块，采集控制模块在NIOSII模块的控制下，将接收的32路信息分别存入32组FIFO存储模块，等待NIOSII模块从FIFO存储模块中提取所采集信息并将其送入上位机。

一种应用如上所述基于FPGA的多通道通用数据采集卡进行多路数据采集的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：将数据采集卡的信号输入端与待采集设备相连接，将数据采集卡的信号输出端与上位机相连接，采集卡上电初始化后NIOSII通过检测5选1开关选择采集卡与上位机的通信方式，即从RS232、以太网、USB、PCI和16位并口中选择一种，与上位机建立通信，

步骤2：上位机通过和采集卡上的NIOSII通信实现对采集卡的设置，

步骤3：NIOSII模块根据上位机的设置，向采集控制模块发送采集控制设置信息和start命令，开启相应的数据采集通路进行数据采集，

步骤4：待采集数据进入相应的数据采集通路后，依次经交/直流耦合模块、运放模块、A/D转换模块处理后，在采集控制模块的控制下存入与该路数据采集通道相对应的FIFO存储模块内，

步骤5：NIOSII模块在上位机的控制下从FIFO存储模块中提取所采集信息并经通信接口将其送入上位机，完成数据的采集。

本发明步骤中5NIOSII模块在上位机的控制下从FIFO存储模块中每次读取数据时，同时读取32个FIFO，然后从每次读取的32个数据中将启用通道的数据按通道编号顺序发送给上位机。

本发明步骤2中对采集卡的设置包括：NIOSII分别通过32个交直流控制信号设定32个通道每个通道的信号耦合方式为交流耦合或直流耦合，NIOSII分别通过32个量程控制信号控制32个通道的量程为±1V或±2V，NIOSII通过采集控制总线和采集控制模块进行通信，设置采集卡的采集模式为无触发连续采集、无触发固定长度单次采集、触发固定长度连续采集和触发固定长度单次采集四种模式中的任意一种；NIOSII通过采集控制总线和采集控制模块进行通信，实现采集卡的零点自动校，NIOSII通过采集控制总线和采集控制模块进行通信，设置触发信号（Trigger_in）为上升沿触发或下降沿触发，上位机通过给NIOSII发送指令，控制每个通道的启用或停用。

本发明中所述采集模式包括无触发连续采集、无触发固定长度单次采集、触发固定长度连续采集和触发固定长度单次采集四种模式，无触发连续采集模式下NIOSII接收到上位机的启动采集指令后，将由NIOSII模块发送至采集控制模块的Start信号设置成有效，开启的数据采集通路进行连续的数据采集；无触发固定长度单次采集模式下，NIOSSII模块接收到上位机的启动采集指令后，将发送至采集控制模块的Start信号设置成有效，采集卡进行采集，采集固定长度后停止；触发固定长度连续采集模式下NIOSII接收到上位机的启动采集指令后，将其发送至采集控制模块的Start信号设置成有效，采集并不立刻进行采集，而是检测到有效的Trigger_in信号后才进行连续采集，每次采集固定的长度，该长度值是有上位机通过指令设定的；触发固定长度单次采集模式下NIOSII模块接收到上位机的启动采集指令后，将Start信号设置成有效，采集并不立马进行采集，而是检测到有效的Trigger_in信号后才进行采集，采集固定的长度后停止采集，采集仅进行一次，长度值是有上位机通过指令设定的，四种模式下采集的32路采集数据存储到32个FIFO中，上位机使用读取指令通过NIOSII模块从32个FIFO中读取数据。

本发明中所述NIOSII模块通过采集控制总线和采集控制模块进行通信，实现采集卡的零点自动校准，具体操作如下：进行零点自动校准时，要先将采集卡的32个通道的输入信号接地后再进行校准，当NIOSII模块收到上位机的零点校准指令后，将其发往采集控制模块的Start信号设置成无效，使采集卡停止工作，然后设置采集卡的采集模式为无触发固定长度单次采集模式，并且设置单次采集的长度为FIFO的存储容量，采集完成后停止，NIOSII模块读取32个FIFO的数据并计算出每个FIFO数据的平均值，然后将32个平均值通过采集控制总线传输给采集控制模块，下次进行采集时，采集控制模块把32路AD采集的数据减去这32个平均值后再使用，其中采用求平均值的方法求零点漂移的理论依据是AD采集到的噪声属于白噪声，多次累加平均可以使采集到的噪音相互抵消。

本发明的数据采集卡与现有技术相比具有如下优点：（1）可通过软件配置采集卡的通信方式为RS232、USB、以太网、PCI或16位并口方式（其中RS232、USB和以太网通信方式在采集卡每秒传输的数据量大于其最大通信速率时会发生数据溢出）；（2）具有32个通道，通过软件设置，可使32个通道中任何一个或几个工作；（3）数据采样速率可通过软件设置成500KHz～500KHz/n (其中n为自然数)；（4）可通过软件控制采集卡进行零点自动校准；（5）可通过软件设置每个采集通道为直流耦合方式或交流耦合方式；（6）可通过软件设置每个采集通道的输入量程为±1V或±2V。这些优点使采集卡可以适应不同的要求，具有很强的通用性。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明中数据采集通路的一种实施方式的电路结构图。

附图标记：交/直流耦合模块1、运放模块2、A/D转换模块3、NIOSII模块4、存储模块5、采集控制模块6、RS232接口7、以太网接口8、USB接口9、PCI接口10、16位并口11、5选1开关12、

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例：

基于FPGA的32通道通用数据采集卡及其应用

如附图1所示，包括用于与上位机实现数据交换的通信接口，用于控制装置工作状态的控制模块以及与控制模块相连接的32路数据采集通路，

在实际开发应用时，控制模块由一片FPGA芯片实现，在FPGA芯片上形成1个NIOSII模块4、1个采集控制模块6以及位于NIOSII模块4和采集控制模块6之间的分别与多路数据采集通路相对应的多组FIFO存储模块5，本实施例中优选设定为32组，32组FIFO分别与32条数据采集通道相对应，每个FIFO为16位宽度和1k深度。与NIOSII模块4相连接的通信接口中，RS232接口7和16位并口11在NIOSII模块4上直接生成，以太网接口8使用ENC28J60芯片实现，USB接口9使用ISP1583实现USB2.0高速接口，PCI接口10使用CY7C90449PV实现，控制模块中的采集控制控制模块6还设有触发信号端口，用于接收外部触发信号，采集控制模块6与NIOSII模块4之间设有用于实现控制命令下达的采集控制总线；

32条数据采集通路中的每条数据采集通路内均设有依次相连接的交/直流耦合模块1、运放模块2以及A/D转换模块3，NIOSII模块4分别与每条数据采集通路内的交/直流耦合模块1、运放模块2相连接，在工作过程中，通过分别向其发送交直流切换控制信号、量程切换控制信号，实现对每一路数据采集通路中数据处理方式的设定，在实际应用中数据采集通路可以采用如附图2所示电路结构，其中REF2920输出的基准电压2V，当REF_SEL为高电平时，AD801的引脚D和引脚S接通，此时REF2920的输出电压为2V，AD的量程为±2V，当REF_SEL为低电平时，AD801的引脚D和引脚S断开，此时REF的电压为2V电压经2个1K电阻分压所得，为1V，AD的量程为±1V；每路采集通路中交/直流耦合模块1可以采用AD801模块实现，当D/C_SEL信号为高电平时,AD801的引脚D和引脚S接通,电容被旁路掉,此时为直流耦合模式，当D/C_SEL信号为低电平时，AD801的引脚D和引脚S断开,此时为直流耦合模式；

运放模块2可以采用型号为AD8471运放电路实现，运放模块2的输出端与A/D转换模块的输入端相连接，其中A/D转换模块3可以采用AD7688实现。

在利用如上基于FPGA的多通道通用数据采集卡的进行数据采集时，包括以下步骤：采集卡上电初始化时NIOSII模块4通过检测5选1开关选择采集卡的通信方式，即从RS232、以太网、USB、PCI和16位并口中选择一种，上电后上位机通过和采集卡上的NIOSII模块4通信，实现对采集卡的设置，NIOSII模块4开启相应的采集通路进行数据采集，待采集的信号经交/直流耦合模块进入该采集通道后，依次经过运放处理、A/D转换处理再经A/D转换模块的输出端进入采集控制模块，采集控制模块在NIOSII模块4的控制下，将该路信息存入与该路数据采集通道相对应的FIFO存储模块内，NIOSII模块4在上位机的控制下从FIFO存储模块中每次读取数据时，同时读取32个FIFO，然后从每次读取的32个数据中将启用通道的数据按通道编号顺序发送给上位机。

本发明中所述对采集卡的设置包括：NIOSII模块4分别通过32个交直流控制信号设定32个通道每个通道的信号耦合方式为交流耦合或直流耦合，NIOSII模块4分别通过32个量程控制信号控制32个通道的量程为±1V或±2V，NIOSII模块4通过采集控制总线和采集控制模块进行通信，设置采集卡的采集模式为无触发连续采集、无触发固定长度单次采集、触发固定长度连续采集和触发固定长度单次采集四种模式中的任意一种；NIOSII模块4通过采集控制总线和采集控制模块进行通信，实现采集卡的零点自动校，NIOSII模块4通过采集控制总线和采集控制模块进行通信，设置触发信号（Trigger_in）为上升沿触发或下降沿触发，上位机通过给NIOSII模块4发送指令，控制每个通道的启用或停用。

本发明中所述采集模式包括无触发连续采集、无触发固定长度单次采集、触发固定长度连续采集和触发固定长度单次采集四种模式，无触发连续采集模式下NIOSII模块4接收到上位机的启动采集指令后，将Start信号设置成有效，采集卡立马进行连续采集；无触发固定长度单次采集模式下NIOSSII模块4接收到上位机的启动采集指令后，将Start信号设置成有效，采集卡立马进行采集，采集固定长度后停止；触发固定长度连续采集模式下NIOSII模块4接收接收到启动采集指令后，将Start信号设置成有效，采集并不立马进行采集，而是检测到有效的Trigger_in信号后才进行采集，每次采集固定的长度，长度值是有上位机通过指令设定的；触发固定长度单次采集模式下NIOSII模块4接收到启动采集指令后，将Start信号设置成有效，采集并不立马进行采集，而是检测到有效的Trigger_in信号后才进行采集，采集固定的长度后停止采集，长度值是有上位机通过指令设定的，四种模式下采集的32路采集数据存储到32个FIFO中，上位机使用读取指令通过NIOSII模块4从32个FIFO中读取数据。

无论是通过哪种通信接口读取采集卡的采集数据，采集卡输出的数据包结构如表1所示：

起始标志	启用通道数	CH0数据	CH1数据	…	CH31数据
						1字节	1字节	2字节	2字节	…	2字节
0xAA	等于启用的通道数	16位AD采样值	16位AD采样值	…	16位AD采样值
								如果CH0没有启用，则无此2字节数据	如果CH1没有启用，则无此2字节数据	…	如果CH31没有启用，则无此2字节数据

表1

例如：设置采集卡启用CH2、CH5、CH17、CH30四个通道，则数据的输出包结构为：

0xAA 0x04 0xyyyy 0xyyyy 0xyyyy 0xyyyy

起始标志 4个通道 4个通道的数据（按通道编号由小到大列）

上位机接收到这个数据包后，将四个通道的数据从包结构中剥离出来，然后按照设置的通道编号从小到大的顺序拆分出每个通道的16位数据。

根据数据包结构可知，如果采样速率为500kHz/n，启用的通道数为m，则每秒种产生的数据量为（m×2+2）×500k÷n字节，当启用的通信接口数据传输速度低于每秒产生的数据量时，采集卡就会产生数据溢出。此时附图1中的OV信号为高，采集控制模块将停止向FIFO中写入数据，通过向NIOSII模块发送停止采集命令，使Start信号为低，让采集卡停止采集，此时由采集控制模块发出的OV信号将变为低，NIOSII模块4等待上位机将FIFO中的读取完毕后,再向采集控制模块发送启动采集命令Start，Start信号变高后，采集控制模块将重新向FIFO中写入数据；此外在发生数据溢出时，也可以通过NIOSII模块4向采集控制模块发送复位命令，使附图1中的Reset信号有效，以使采集卡停止工作，此时FIFO中的数据将全部丢失。

当采集卡内部FIFO中的数据全部读取完时，下次接收到数据读取命令时，采集卡输出的数据包结构为：

0xAA 0x00

起始标志 0个通道

此时上位机可以稍等后再进行数据读取。

本发明中所述NIOSII通过采集控制总线和采集控制模块进行通信，实现采集卡的零点自动校准，具体操作如下：进行零点自动校准时，要先将采集卡的32个通道的输入信号接地后再进行校准，当NIOSII模块4收到上位机的零点校准指令后，将Start信号设置成无效使采集卡停止工作，然后设置采集卡的采集模式为无触发固定长度单次采集模式，并且设置单次采集的长度为FIFO的存储容量，采集完成后停止，NIOSII模块4读取32个FIFO的数据并计算出每个FIFO数据的平均值，然后将32个平均值通过采集控制总线传输给采集控制模块，下次进行采集时，采集控制模块把32路AD采集的数据减去这32个平均值后再使用。采用求平均值的方法求零点漂移的理论依据是AD采集到的噪声属于白噪声，多次累加平均可以使采集到的噪音相互抵消。

本发明的数据采集卡与现有技术相比具有如下优点：（1）可通过软件配置采集卡的通信方式为RS232、USB、以太网、PCI或16位并口方式（其中RS232、USB和以太网通信方式在采集卡每秒传输的数据量大于其最大通信速率时会发生数据溢出）；（2）具有32个通道，通过软件设置，可使32个通道中任何一个或几个工作；（3）数据采样速率可通过软件设置成500KHz～500KHz/n (其中n为自然数)；（4）可通过软件控制采集卡进行零点自动校准；（5）可通过软件设置每个采集通道为直流耦合方式或交流耦合方式；（6）可通过软件设置每个采集通道的输入量程为±1V或±2V。这些优点使采集卡可以适应不同的要求，具有很强的通用性。

Claims (5)

1.一种用基于FPGA的多通道通用数据采集卡进行多路数据采集的方法，所述基于FPGA的多通道通用数据采集卡包括用于与上位机实现数据交换的通信接口，用于控制装置工作状态的控制模块以及与控制模块相连接的数据采集通路，其中数据采集通路内设有依次相连接的交/直流耦合模块、运放模块以及A/D转换模块，控制模块分别与通信接口、数据采集通路相连接，其特征在于所述控制模块包括相连接的NIOSII模块、存储模块和采集控制模块，NIOSII模块与通信接口相连接，NIOSII模块和采集控制模块分别与存储模块相连接，所述通信接口包括RS232接口、以太网接口、USB接口、PCI接口、16位并口以及用于选择通信接口通路的5选1开关，采集控制模块的输入端与数据采集通路的输出端相连接；

所述控制模块由一片FPGA芯片实现，在FPGA芯片上形成NIOSII模块、采集控制模块以及位于NIOSII模块和采集控制模块之间的FIFO存储模块，其中采集控制模块还设有触发信号端口；

设有32路采集通路，每路采集通路内设有依次相连接的交/直流耦合模块、运放模块以及A/D转换模块；

其特征在于多路数据采集的方法包括以下步骤：

步骤1：将数据采集卡的信号输入端与待采集设备相连接，将数据采集卡的信号输出端与上位机相连接，采集卡上电初始化后NIOSII模块通过检测5选1开关选择采集卡与上位机的通信方式，即从RS232、以太网、USB、PCI和16位并口中选择一种，与上位机建立通信，

步骤2：上位机通过和采集卡上的NIOSII模块通信实现对采集卡的设置，

步骤3：NIOSII模块根据上位机的设置，向采集控制模块发送采集控制设置信息和start命令，开启相应的数据采集通路进行数据采集，

步骤4：待采集数据进入相应的数据采集通路后，依次经交/直流耦合模块、运放模块、A/D转换模块处理后，在采集控制模块的控制下存入与该路数据采集通道相对应的FIFO存储模块内，

步骤5：NIOSII模块在上位机的控制下从FIFO存储模块中提取所采集信息并经通信接口将其送入上位机，完成数据的采集;

步骤5中NIOSII模块在上位机的控制下从FIFO存储模块中每次读取数据时，同时读取32个FIFO，然后从每次读取的32个数据中将启用通道的数据按通道编号顺序发送给上位机。

2.根据权利要求1所述的一种多路数据采集的方法，其特征在于步骤2中对采集卡的设置包括：NIOSII分别通过32个交直流控制信号设定32个通道每个通道的信号耦合方式为交流耦合或直流耦合，NIOSII分别通过32个量程控制信号控制32个通道的量程为±1V或±2V，NIOSII通过采集控制总线和采集控制模块进行通信，设置采集卡的采集模式为无触发连续采集、无触发固定长度单次采集、触发固定长度连续采集和触发固定长度单次采集四种模式中的任意一种；NIOSII通过采集控制总线和采集控制模块进行通信，实现采集卡的零点自动校，NIOSII通过采集控制总线和采集控制模块进行通信，设置触发信号Trigger_in为上升沿触发或下降沿触发，上位机通过给NIOSII发送指令，控制每个通道的启用或停用。

3.根据权利要求2所述的一种多路数据采集的方法，其特征在于所述采集模式包括无触发连续采集、无触发固定长度单次采集、触发固定长度连续采集和触发固定长度单次采集四种模式，无触发连续采集模式下NIOSII接收到上位机的启动采集指令后，将由NIOSII模块发送至采集控制模块的Start信号设置成有效，开启的数据采集通路进行连续的数据采集；无触发固定长度单次采集模式下，NIOSSII模块接收到上位机的启动采集指令后，将发送至采集控制模块的Start信号设置成有效，采集卡进行采集，采集固定长度后停止；触发固定长度连续采集模式下NIOSII接收到上位机的启动采集指令后，将其发送至采集控制模块的Start信号设置成有效，采集并不立刻进行采集，而是检测到有效的Trigger_in信号后才进行连续采集，每次采集固定的长度，该长度值是有上位机通过指令设定的；触发固定长度单次采集模式下NIOSII模块接收到上位机的启动采集指令后，将Start信号设置成有效，采集并不立马进行采集，而是检测到有效的Trigger_in信号后才进行采集，采集固定的长度后停止采集，采集仅进行一次，长度值是有上位机通过指令设定的，四种模式下采集的32路采集数据存储到32个FIFO中，上位机使用读取指令通过NIOSII模块从32个FIFO中读取数据。

4.根据权利要求3所述的一种多路数据采集的方法，其特征在于NIOSII模块通过采集控制总线和采集控制模块进行通信，能实现采集卡的零点自动校准，具体操作如下：先将采集卡的32个通道的输入信号接地后再进行校准，当NIOSII模块收到上位机的零点校准指令后，将其发往采集控制模块的Start信号设置成无效，使采集卡停止工作，然后设置采集卡的采集模式为无触发固定长度单次采集模式，并且设置单次采集的长度为FIFO的存储容量，采集完成后停止，NIOSII模块读取32个FIFO的数据并计算出每个FIFO数据的平均值，然后将32个平均值通过采集控制总线传输给采集控制模块，下次进行采集时，采集控制模块把32路AD采集的数据减去这32个平均值后再使用。

5.根据权利要求4所述的一种多路数据采集方法，其特征在于当数据采集过程中发生数据溢出时，采用方式一或方式二进行处理：方式一：通过向NIOSII模块发送停止采集命令，使Start信号为低，让采集卡停止采集，此时由采集控制模块发出的OV信号将变为低，NIOSII模块等待上位机将FIFO中的读取完毕后,再向采集控制模块发送启动采集命令Start，Start信号变高后，采集控制模块将重新向FIFO中写入数据；

方式二：在发生数据溢出时，通过NIOSII模块向采集控制模块发送复位命令，使Reset信号有效，以使采集卡停止工作，此时FIFO中的数据将全部丢失。