CN104570855A - 一种基于fpga的数据采集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的数据采集系统及方法，包括信息采集模块、信息处理模块和FPGA模块；所述信息采集模块，用于采集模拟信号，并将所述模拟信号传输给所述信息处理模块；所述信息处理模块，用于对采集到的模拟信号进行调整并转换为数字信号；所述FPGA模块，用于将所述数字信号缓存起来并传输给外部信号读取模块。本发明采用了快速、高分辨率的数据转换部件，大大提高了数据采集系统的性能；FPGA的时钟频率很高，内部时延非常小；全部的控制逻辑都可由硬件完成，速度快、效率高，非常适于数据量大的高速传输控制；而且FPGA的组成形式灵活，可以集成外围控制、译码和接口等各种电路。

Description

一种基于FPGA的数据采集系统及方法
技术领域
本发明涉及控制或调节系统技术领域，尤其是一种基于FPGA的数据采集系统及方法。
背景技术
在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常需要对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等信息的采集。在图像处理、瞬态信号检测、软件无线电等一些领域，更是要求高速度、高精度、高实时性的数据采集技术。
数据采集系统的任务就是将采集传感器输出的模拟信号进行处理并转换成计算机能识别的数字信号，有计算机进行相应的计算和处理来满足不同的需要，得到所需的数据。数据采集系统性能的好坏，是由它的精度和速度来决定的。在保证精度的前提下，应当用尽可能高的采集速度，这样才能满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。
在传统的数据采集系统中，A/D的控制和数据的转存均是通过CPU或者MCU来完成。在这种方式下，将A/D转换的结果读入，然后再转存到片外的存储器中，这一过程至少需要4个机器周期。即使对于ARM芯核的单片机，使用33MHz的晶振，它的最高转存数据速度也只达到8Mbyte/s。在高速数据采集系统中，这种方式一方面占用太多CPU资源，另外也远远不能满足高速采集的速度要求。
数据采集系统的控制芯片在不停发展和进步，从原来的单一的单片机发展到数据处理芯片DSP、嵌入式漆片等更高速、高性能的芯片。在传统的数据采集系统中，我们通常采用单片机或DSP、控制ADC、存储器以及其他一些外围电路的工作，但这样的系统存在如下不足：
1)单片机的时钟频率较低，需要软件支持来实现其功能，软件的运行时间在整个采样时间中占据很大的比例，效率很低，很难适应高速、高精度数据的采集系统的要求。
2)DSP可以通过软件编程来实现其功能，虽然运算速度快而且擅长处理密集的乘加运算，但是受到DSP本身的性能及程序指令顺序执行的限制，它很难完成对外围的复杂硬件进行逻辑控制。
这些不足远远满足不了高速数据采集技术的要求。
发明内容
本发明提供一种基于FPGA的数据采集系统及方法，所要解决的技术问题是采样效率低、对外围硬件控制难的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于FPGA的数据采集系统，包括信息采集模块、信息处理模块和FPGA模块。
所述信息采集模块，用于采集模拟信号，并将所述模拟信号传输给所述信息处理模块。
所述信息处理模块，用于对采集到的模拟信号进行调整并转换为数字信号。
所述FPGA模块，用于将所述数字信号缓存起来并传输给外部信号读取模块。
本发明的有益效果是：本发明采用了快速、高分辨率的数据转换部件，大大提高了数据采集系统的性能；FPGA的时钟频率很高，内部时延非常小；全部的控制逻辑都可由硬件完成，速度快、效率高，非常适于数据量大的高速传输控制；而且FPGA的组成形式灵活，可以集成外围控制、译码和接口等各种电路。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述信息处理模块包括信号调整模块和模数转换器；所述信号调整模块用于将所述模拟信号调整到所述模数转换器的输入范围内；所述模数转换器用于将所述模拟信号转换为数字信号。
进一步，所述FPGA模块包括数据缓存模块、时钟模块、采集控制模块和数据接口模块；所述数据缓存模块用于将所述数字信号进行缓存；所述时钟模块用于为所述模数转换器、数据缓存模块和采集控制模块提供时钟；所述采集控制模块用于通过控制所述模数转换器的时序来控制模数转换芯片工作。
进一步，所述FPGA模块采用EP1C6Q240C8芯片。
进一步，所述模数转换器采用AD9288转换器或AD7278转换器。
进一步，在所述AD9288转换器的电源引脚与地之间串联一个0.1μF的去耦电容。
进一步，在所述AD7278转换器的电源引脚与地之间并联0.1μF和680nF的去耦电容。
本发明还提供了一种基于FPGA的数据采集方法，包括以下步骤：
步骤1：采集模拟信号。
步骤2：对采集到的模拟信号进行调整并转换为数字信号。
步骤3：将所述数字信号缓存起来并传输给外部信号读取模块。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述步骤2中对采集到的模拟信号进行调整并转换为数字信号的具体实现为：将所述模拟信号调整到模数转换器的输入范围内后，再将所述模拟信号转换为数字信号。
进一步，所述步骤3中将所述数字信号缓存起来并传输给外部信号读取模块的具体实现为：将所述数字信号进行缓存，当接收到读命令后，读取所述数字信号并传输给所述外部信号读取模块。
附图说明
图1为本发明一种基于FPGA的数据采集系统的原理框图；
图2为本发明一种基于FPGA的数据采集方法的方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种基于FPGA的数据采集系统，包括信息采集模块、信息处理模块和FPGA模块。
所述信息采集模块，用于采集模拟信号，并将所述模拟信号传输给所述信息处理模块。
所述信息处理模块，用于对采集到的模拟信号进行调整并转换为数字信号。
所述FPGA模块，用于将所述数字信号缓存起来并传输给外部信号读取模块。
所述信息处理模块包括信号调整模块和模数转换器；所述信号调整模块用于将所述模拟信号调整到所述模数转换器的输入范围内；所述模数转换器用于将所述模拟信号转换为数字信号。
所述FPGA模块包括数据缓存模块、时钟模块、采集控制模块和数据接口模块；所述数据缓存模块用于将所述数字信号进行缓存；所述时钟模块用于为所述模数转换器、数据缓存模块和采集控制模块提供时钟；所述采集控制模块用于通过控制所述模数转换器的时序来控制模数转换芯片工作。
所述FPGA模块采用EP1C6Q240C8芯片。
所述模数转换器采用AD9288转换器或AD7278转换器。
采用AD9288转换器时，其外围电路供电电压范围为2.7-3.6V，本发明FPGA模块的外围电路产生3.3V电压供电，模拟电源和数字电源分开供电，为了保证电源的质量，在各自电源引脚与地之间加入0.1μF的去耦电容。
AD9288转换器提供两种信号输入方式，分别是单端输入与差分输入，其中差分输入方式可以减少信号噪声以及电磁的干扰。
AD9288转换器的引脚S1、S2可以用来选择多种操作模式，在使用中，常令S1＝1，S2＝0，两个通道采集相互独立。
采用AD7278转换器时，其外围电路供电电压范围为2.35-3.6V，本发明FPGA模块的外围电路产生3.3V电压供电，为了保证电源的质量，在电源引脚与地之间并联0.1μF和680nF的去耦电容。
AD7278转换器只有单端模拟输入方式，信号通过VIN引脚从外部接口输入，输入电压范围为0-VDD(即3.3V)。
SCLK引脚为通道时钟输入引脚，设为50MHz，由FPGA模块内部逻辑提供。
SDATA引脚与数据采集控制模块的输入相连接，有FPGA模块控制其进行串并转换之后写入数据缓存模块.
如图2所示，一种基于FPGA的数据采集方法，包括以下步骤：
步骤1：采集模拟信号。
步骤2：对采集到的模拟信号进行调整并转换为数字信号。
步骤3：将所述数字信号缓存起来并传输给外部信号读取模块。
所述步骤2中对采集到的模拟信号进行调整并转换为数字信号的具体实现为：将所述模拟信号调整到模数转换器的输入范围内后，再将所述模拟信号转换为数字信号。
所述步骤3中将所述数字信号缓存起来并传输给外部信号读取模块的具体实现为：将所述数字信号进行缓存，当接收到读命令后，读取所述数字信号并传输给所述外部信号读取模块。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，包括信息采集模块、信息处理模块和FPGA模块；
所述信息采集模块，用于采集模拟信号，并将所述模拟信号传输给所述信息处理模块；
所述信息处理模块，用于对采集到的模拟信号进行调整并转换为数字信号；
所述FPGA模块，用于将所述数字信号缓存起来并传输给外部信号读取模块。
2.根据权利要求1所述一种基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，所述信息处理模块包括信号调整模块和模数转换器；所述信号调整模块用于将所述模拟信号调整到所述模数转换器的输入范围内；所述模数转换器用于将所述模拟信号转换为数字信号。
3.根据权利要求2所述一种基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，所述FPGA模块包括数据缓存模块、时钟模块、采集控制模块和数据接口模块；所述数据缓存模块用于将所述数字信号进行缓存；所述时钟模块用于为所述模数转换器、数据缓存模块和采集控制模块提供时钟；所述采集控制模块用于通过控制所述模数转换器的时序来控制模数转换芯片工作。
4.根据权利要求1至3任一项所述一种基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，所述FPGA模块采用EP1C6Q240C8芯片。
5.根据权利要求2或3所述一种基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，所述模数转换器采用AD9288转换器或AD7278转换器。
6.根据权利要求5所述一种基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，在所述AD9288转换器的电源引脚与地之间串联一个0.1μF的去耦电容。
7.根据权利要求5所述一种基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，在所述AD7278转换器的电源引脚与地之间并联0.1μF和680nF的去耦电容。
8.一种基于FPGA的数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集模拟信号；
步骤2：对采集到的模拟信号进行调整并转换为数字信号；
步骤3：将所述数字信号缓存起来并传输给外部信号读取模块。
9.根据权利要求8所述的一种基于FPGA的数据采集方法，其特征在于，所述步骤2中对采集到的模拟信号进行调整并转换为数字信号的具体实现为：将所述模拟信号调整到模数转换器的输入范围内后，再将所述模拟信号转换为数字信号。
10.根据权利要求8或9所述的一种基于FPGA的数据采集方法，其特征在于，所述步骤3中将所述数字信号缓存起来并传输给外部信号读取模块的具体实现为：将所述数字信号进行缓存，当接收到读命令后，读取所述数字信号并传输给所述外部信号读取模块。
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