CN104950770A - 可控的高速多通道信号采集控制电路系统及其控制方法 - Google Patents

可控的高速多通道信号采集控制电路系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可控的高速多通道信号采集控制电路系统，包括可编程器FPGA；可编程器FPGA与光纤收发器连接，以实现同上位机的通信；可编程器FPGA与DAC芯片连接，以输出模拟信号用于控制或驱动；可编程器FPGA与多个AD转换芯片连接，以实现多通道的模拟数据转换；可编程器FPGA与预留控制端口连接，用于拓展功能。本发明实现了对大量的模拟信号通道进行同步不间断采样的工作需求，解决了常用的高速多通道信号采集控制电路系统重复性设计给资源造成的浪费问题，缩短了多通道信号采集电路的设计时间，适用于多种不同场合信号采集工作。

Description

可控的高速多通道信号采集控制电路系统及其控制方法
技术领域
本发明属于电路设计技术领域，公开了一种可控的高速多通道信号采集控制电路系统及其控制方法。
背景技术
在一些对于信号采集频率要求不是很高(采集频率小于MSPS(Million Samplesper Second，转换速率)的范围)的领域如声学以及电磁成像等应用领域中，经常会需要对大量的模拟信号通道进行同步采样的工作。能否设计出一种应用领域广泛，采集通道、触发等设置灵活的信号采集控制电路系统将会对整个科研项目进程起到决定性的作用。
目前市面上的模拟数据采集板卡的通道数大多是8通道、12通道或16通道，其采样数据位宽鲜有能够达到24bit。100通道以上的模拟数据板卡存在同步采样困难、数据传输困难等问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，为了实现对大量的模拟信号通道进行同步不间断采样的工作需求，解决常用的高速多通道信号采集控制电路系统重复性设计给资源造成的浪费问题，缩短多通道信号采集电路的设计时间，使其适用于多种不同场合信号采集工作，本发明设计一种可控的高速多通道信号采集控制电路系统。
根据本发明提供的一种可控的高速多通道信号采集控制电路系统，包括可编程器FPGA、光纤收发器、DAC芯片、AD转换芯片、预留控制端口；
可编程器FPGA与光纤收发器连接，以实现同上位机的通信；
可编程器FPGA与DAC芯片连接，以输出模拟信号用于控制或驱动；
可编程器FPGA与多个AD转换芯片连接，以实现多通道的模拟数据转换；
可编程器FPGA与预留控制端口连接，用于拓展功能。
优选地，所述多通道使用同一个时钟驱动源；
时钟驱动源输出的时钟通过时钟驱动芯片输入至可编程器FPGA，用作数据输入时钟；
在时钟的布线上使用等长处理；时钟驱动芯片与AD转换芯片之间的线路、DAC芯片的输出线、AD转换芯片与可编程器FPGA之间均采用等长处理。
优选地，可编程器FPGA包括采集控制模块、传输控制模块；采集控制模块包括通道选择模块、RAM；
采集控制模块控制多片AD转换芯片同时开始信号的采集工作，并在同一个时刻开始通过通道选择模块读取AD转换芯片的数据至可编程器FPGA为每个采集通道内置的RAM中，从多通道获取的多通道数据全部写入相对应的RAM后，由传输控制模块将上次采集到的多通道数据通过光纤模块上传至信号处理机柜，数据采集控制模块的RAM实行乒乓操作，避免读写冲突。
根据本发明提供的一种上述的可控的高速多通道信号采集控制电路系统的控制方法，包括如下步骤：
对AD转换芯片以及DAC芯片进行初始化，再对AD转换芯片的AD采集的触发方式类型以及DAC芯片的DAC输出控制参数进行设置；
所述可控的高速多通道信号采集控制电路系统进入循环工作过程并等待采集中断或者上传中断发生；
当发生采集中断后，可编程器FPGA对多通道AD转换芯片进行数据同步采集并存储在RAM空间的上半部分；当上传中断产生后，传输控制模块读取RAM下半部分数据通过光纤模块上传；
当再次发生采集中断后，可编程器FPGA对多通道AD转换芯片进行数据同步采集并存储在RAM空间的下半部分；当上传中断产生后，传输控制模块读取RAM上半部分数据通过光纤模块上传。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、灵活性：采样率，采样通道数等参数可以通过软件设置；采集数据位宽可为24bit，采集通道数量最多可到达152通道，采用光纤千兆以太网上传数据。
2、通用性：信号采集频率范围大，可应用于低频的声呐探测、电磁成像领域；也可通过减少通道数量，提高采样频率，使其应用与高频科研领域，具有更好的兼容性。
3、成本低：通过模块化设计，提高可复用特性，造价远远低于NI采集仪器，减少重复性设计给科研、生产带来的成本。
4、可维护性：系统结构简单，采用模块化设计思想，由于采用大规模集成芯片，简化了系统设计，可维护性较高，可以实现快速融入到科研项目的产品中。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的一种可控的高速多通道信号采集控制电路系统结构框图。
图2是本发明的一种可控的高速多通道信号采集控制电路系统的系统信号采集图示。
图3是本发明的一种可控的高速多通道信号采集控制电路系统的数据上传示意图。
图4是本发明的一种可控的高速多通道信号采集控制电路系统的控制方法流程图。
图5是本发明应用于声呐信号采集传输模块中声呐信号采集传输应用图。
图6是本发明应用于电磁成像领域应用结构框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的目的在于：解决海底声呐探测、电磁成像等领域信号采集传输控制系统复杂，缺少灵活性、可扩展性，通用性差，以及对大量的信号采集通道难于同步采集的问题特点；采用模块化设计，在不对硬件电路进行变动的前提下，可以根据需要灵活的设置采样通道数、采样率等指标。
可控的高速多通道信号采集控制电路系统，其特征在于，包括可编程器FPGA1、光纤收发器2、DAC芯片3、AD转换芯片4、预留控制端口5；可编程器FPGA1与光纤收发器2连接，以实现同上位机的通信；可编程器FPGA1与DAC芯片3连接，以输出模拟信号用于控制或驱动；可编程器FPGA1与多个AD转换芯片4连接，以实现多通道的模拟数据转换；可编程器FPGA1与预留控制端口5连接，用于拓展功能。
可编程器FPGA1与19个AD转换芯片4连接，实现152通道的模拟数据转换；可编程器FPGA1与DAC数字模拟转换器芯片3连接，DAC芯片3输出模拟信号用于控制或驱动；可编程器FPGA1与光纤收发器2连接，实现同上位机的通信；可编程器FPGA1与预留控制端口5连接，可进一步拓展系统功能，可复用性更好。
在本发明中，152个通道使用同一个时钟驱动源(6)，为了增加时钟的驱动能力，增加了时钟驱动芯片7，同时将此时钟输入至可编程器FPGA1，用作数据输入时钟。为了保证同步采样及输出数据的正确性，在时钟的布线上使用等长处理,时钟驱动芯片7与AD转换芯片4之间的线路、DAC芯片3的输出线、AD转换芯片4与可编程器FPGA1之间均采用等长处理。
采集控制部分是基于FPGA实现的ADC数据采集，可编程器FPGA1通过内部的采集控制模块8控制多片AD转换芯片4同时开始信号的采集工作，并通过通道选择模块10在同一个时刻开始读取AD转换芯片4的数据至可编程器FPGA1为每个采集通道内置的RAM11中，多通道的采集数据全部写入相对应的RAM11后，在适当的时间由传输控制模块9将FPGA上次采集到的多通道数据通过光纤模块2上传至信号处理机柜，数据采集控制模块8的RAM11实行乒乓操作，避免读写冲突。数据采集控制模块8，通过控制通道选择模块10，来实现采集通道的选择。通道选择模块10的功能相当于多路选择器，通过控制信号可以选择不同的采集通道。
所述可控的高速多通道信号采集控制电路系统的控制方法具体包括以下步骤：
系统开机后首先对电路系统进行初始化，接着对多通道ADC芯片4以及DAC芯片3进行初始化，再对AD采集的触发方式类型以及DAC输出控制参数进行设置，接着生成控制参数以及输出控制参数，当以上过程完成后，系统进入循环工作过程并等待采集中断或者上传中断发生；当发生采集中断后，可编程器FPGA1对多通道ADC进行数据同步采集并存储在RAM11空间的上半部分，当上传中断产生后，传输控制模块9读取RAM11下半部分数据通过光纤模块2上传；当再次发生采集中断后，可编程器FPGA1对多通道ADC进行数据同步采集并存储在RAM11空间的下半部分，上传中断产生后，传输控制模块9读取RAM11上半部分数据通过光纤模块2上传。
在一个优选例中，图5是系统应用于海底声呐探测领域中的声呐信号采集传输模块的结构示意图。采集传输模块通过光纤收发器接收显控台或上位机通过网络交换机下发的控制参数信号参数、AD采集通道设置参数、采集模块增益控制参数、自检命令等和发送采集的声呐数据信号。通过预留的控制端口可以接收通讯控制机发送的信号采集命令同步信号。通过光纤收发器上传AD采集的数据以及一些传感器的参数数据到信号处理机。数据速率不小于415Mb/s。模块上的DA产生TVG曲线信号驱动采集模块进行TVG增益控制。FPGA芯片选择集成了的MAC和Rocket I/O GTP/GTX收发器硬核的XILINX公司XC5VLX30T-1FF665I；采集传输模块的原理框图如图5所示。
显控台通过网络交换机下发控制参数如输出信号参数、AD采集通道设置参数、采集模块增益控制参数、自检命令等给光纤收发器，光纤收发器接收到控制参数后下发给FPGA芯片，FPGA将接收到的控制参数根据参数类型的不同分别进行处理；如果控制参数是用于控制AD采集通道的选择，则将用于控制ADC芯片IO口使能的控制；如果控制参数是输出信号的参数则将相应的参数输出给DAC转换芯片。当参数设置完毕后，系统进入循环工作过程，FPGA根据预留控制端口接收到的同步信号用于触发采集中断事件完成对多通道AD采集电路的同步采样工作。FPGA对多通道ADC进行数据同步采集并存储在RAM空间的上半部分，当上传中断产生后，传输控制模块读取RAM下半部分数据通过光纤模块上传；当再次发生采集中断后，FPGA对多通道ADC进行数据同步采集并存储在RAM空间的下半部分，上传中断产生后，传输控制模块读取RAM上半部分数据通过光纤模块上传。
在另一个优选例中，本发明应用于电磁成像、探测领域中。在电磁层析成像领域，电磁激励信号的频率一般在几十千赫兹左右，所以本系统完全可以应用到电磁成像或者探测领域。在一个电磁成像系统中往往需要对不同通道的电磁线圈进行电磁激励并对其他通道的电磁线圈的感应信号进行采集工作，每完成一帧数据的采集后将数据上传给上位机进行图像合成。图6是本系统在电磁层析成像领域的应用结构框图，此成像系统使用了8个电磁线圈进行电磁激励以及电磁信号感应来完成对电磁线圈所围空间内的物品的轮廓图的成像工作，因为系统在软件设置通道数量时只需设置八个通道即可。FPGA通过一根单模光纤实现与上位机的通讯工作，接收上位机的激励信号参数通过DA转换芯片转换模拟激励信号，模拟激励信号经过一定的运放后对选定的激励通道进行电磁激励；FPGA通过预留控制端口进行采集通道的控制选择可以实现对不同通道的感应信号的采集，当完成一帧数据的采集工作后通过一根单模光纤将采集到的一帧数据发送给上位机进行图像合成工作。一个电磁线圈做为激励线圈剩余七个线圈做为感应线圈，当八个线圈依次作为激励线圈之后系统总共采集了7*8＝56包数据，即完成了一帧数据的采集。系统原理框图如图6所示。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种可控的高速多通道信号采集控制电路系统，其特征在于，包括可编程器FPGA(1)、光纤收发器(2)、DAC芯片(3)、AD转换芯片(4)、预留控制端口(5)；
可编程器FPGA(1)与光纤收发器(2)连接，以实现同上位机的通信；
可编程器FPGA(1)与DAC芯片(3)连接，以输出模拟信号用于控制或驱动；
可编程器FPGA(1)与多个AD转换芯片(4)连接，以实现多通道的模拟数据转换；
可编程器FPGA(1)与预留控制端口(5)连接，用于拓展功能。
2.根据权利要求1所述的可控的高速多通道信号采集控制电路系统，其特征在于，所述多通道使用同一个时钟驱动源(6)；
时钟驱动源(6)输出的时钟通过时钟驱动芯片(7)输入至可编程器FPGA(1)，用作数据输入时钟；
在时钟的布线上使用等长处理；时钟驱动芯片(7)与AD转换芯片(4)之间的线路、DAC芯片(3)的输出线、AD转换芯片(4)与可编程器FPGA(1)之间均采用等长处理。
3.根据权利要求1所述的可控的高速多通道信号采集控制电路系统，其特征在于，可编程器FPGA(1)包括采集控制模块(8)、传输控制模块(9)；采集控制模块(8)包括通道选择模块(10)、RAM(11)；
采集控制模块(8)控制多片AD转换芯片(4)同时开始信号的采集工作，并在同一个时刻通过通道选择模块(10)开始读取AD转换芯片(4)的数据至可编程器FPGA(1)为每个采集通道内置的RAM(11)中，从多通道获取的多通道数据全部写入相对应的RAM(11)后，由传输控制模块(9)将上次采集到的多通道数据通过光纤模块(2)上传至信号处理机柜，数据采集控制模块(8)的RAM(11)实行乒乓操作，避免读写冲突。
4.一种权利要求3所述的可控的高速多通道信号采集控制电路系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
对AD转换芯片(4)以及DAC芯片(3)进行初始化，再对AD转换芯片(4)的AD采集的触发方式类型以及DAC芯片(3)的DAC输出控制参数进行设置；
所述可控的高速多通道信号采集控制电路系统进入循环工作过程并等待采集中断或者上传中断发生；
当发生采集中断后，可编程器FPGA(1)对多通道AD转换芯片(4)进行数据同步采集并存储在RAM(11)空间的上半部分；当上传中断产生后，传输控制模块(9)读取RAM(11)下半部分数据通过光纤模块(2)上传；
当再次发生采集中断后，可编程器FPGA(1)对多通道AD转换芯片(4)进行数据同步采集并存储在RAM(11)空间的下半部分；当上传中断产生后，传输控制模块(9)读取RAM(11)上半部分数据通过光纤模块(2)上传。
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