CN107168181A - 一种基于fpga的数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于FPGA的数据采集系统，包括依次连接的数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块。所述数据采集模块包括至少一个数据采集通道，用于对多路信号进行同步采集和采样，并将采样信号发送至所述数据处理模块；所述数据处理模块包括分别与所述数据采集模块和所述数据传输模块连接的FPGA处理器，所述FPGA处理器用于对所述采样信号进行处理，以及通过所述FPGA处理器内部集成的软核控制器控制所述数据采集模块和数据传输模块；所述数据传输模块，用于将所述数据处理模块处理后的信号传输至上位机系统。通过FPGA处理器实现大部分数字系统设计，减少了外围模块电路的数量，降低了外围电路PCB布线布局复杂程度，提高了信号采集的准确度和数据处理速度。
Description
技术领域
本发明涉及数据采集领域，特别是涉及一种基于FPGA的数据采集系统。
背景技术
在现代的科研、生产和人们的日常生活中，数据采集系统应用十分广泛，需要对温度、湿度、压力、流量等物理量进行检测，并通过相应的传感器将这些物理量转换成模拟电信号，然后对模拟电信号进行放大、滤波、模数转换等后发送给计算机进行处理，最后将结果显示出来，这就是数据采集。随着检测技术的发展，对数据采集系统的采样准确性、采样速率等参数提出更高的要求，尤其对某些数据采集分析需求较高的领域，如电力领域中，需要对各类表征参数进行采集和分析，才能准确掌握系统运行的实时状态，并且需要对各类微弱、高频等复杂的信号进行精确、快速的测量与特征提取。而传统的基于的微处理器的数据采集系统，需要设计复杂的外围硬件电路，成本高，且数据采集的准确度和处理速度均不能满足需求。
发明内容
基于此，有必要提供一种准确度高、处理速度快的实时数据采集系统。
一种基于FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的数据采集系统，包括依次连接的数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块。所述数据采集模块包括至少一个数据采集通道，用于对多路信号进行同步采集和采样，并将采样信号发送至所述数据处理模块；所述数据处理模块包括分别与所述数据采集模块和所述数据传输模块连接的FPGA处理器，所述FPGA处理器用于对所述采样信号进行处理，以及通过所述FPGA处理器内部集成的软核控制器对所述数据采集模块和数据传输模块进行控制；所述数据传输模块，用于将所述数据处理模块处理后的信号传输至上位机系统。
在其中一个实施例中，所述数据采集模块包括信号处理模块，以及与所述信号处理模块连接的信号转换模块，所述信号处理模块用于将采集的同步信号转换为所述信号转换模块可识别的标准信号，并发送至所述信号转换模块。
在其中一个实施例中，所述信号转换模块包括至少一个A/D转换器，所述A/D转换器采用菊花链连接模式进行级联，用于将所述标准信号转换为串行采样信号，并输出给所述数据处理模块。
在其中一个实施例中，所述数据采集模块包括8个数据采集通道，所述信号转换模块包括8个A/D转换器，每4个A/D转换器采用菊花链连接模式进行级联。
在其中一个实施例中，所述A/D转换器为24位A/D转换器AD7765。
在其中一个实施例中，所述信号处理模块包括可编程增益放大器，用于对所述采集的同步信号进行放大处理。
在其中一个实施例中，所述信号处理模块还包括与所述可编程增益放大器和所述A/D转换器连接的滤波器，所述滤波器用于对放大后的信号进行滤波处理。
在其中一个实施例中，所述软核控制器还用于对所述可编程增益放大器、滤波器和A/D转换器发送控制指令，所述可编程增益放大器、滤波器和A/D转换器根据所述控制指令执行对应的操作。
在其中一个实施例中，所述数据处理模块还包括SDRAM存储器，所述SDRAM存储器用于储存所述数据采集系统的数据。
在其中一个实施例中，还包括电源管理模块，所述电源管理模块分别与所述数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块连接，为所述数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块提供不同等级的电源电压。
上述基于FPGA的数据采集系统，包括依次连接的数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块。通过所述数据采集模块的至少一个数据采集通道，能够实现对多路信号的同步采集；数据处理模块通过采用FPGA处理器对采样信号进行并行处理，提高了数据的处理速度，在FPGA处理器内部嵌入的软核控制器，使得通过所述软核控制器对数据采集模块、数据传输模块等外围电路进行控制，能够在不改动外围硬件电路的情况下对系统进行升级，具有很高的设计灵活性，而且通过FPGA处理器实现大部分数字系统设计，不仅减少了外围模块电路的数量，降低了成本，而且还降低了外围电路PCB布线布局的复杂程度，增强了系统的稳定性和信号采集的准确度。
附图说明
图1为本发明一实施例的基于FPGA的数据采集系统的结构示意图；
图2为本发明另一实施例的基于FPGA的数据采集系统的结构示意图；
图3为本发明一实施例中信号处理模块的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明基于FPGA的数据采集系统第一实施例的结构示意图，包括：数据采集模块200、数据处理模块400、数据传输模块600；
所述数据采集模块200包括至少一个数据采集通道220，用于对多路信号进行同步采集和采样，并将采样信号发送至所述数据处理模块。
所述数据处理模块400包括分别与所述数据采集模块200和所述数据传输模块600连接的FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)处理器420，所述FPGA处理器420用于对所述采样信号进行处理，以及通过所述FPGA处理器420内部集成的软核控制器422对所述数据采集模块200和数据传输模块600进行控制。
所述数据传输模块600用于将所述数据处理模块400处理后的信号传输至上位机系统。
上述基于FPGA的数据采集系统，包括依次连接的数据采集模块200、数据处理模块400和数据传输模块600。通过所述数据采集模块200的至少一个数据采集通道220，能够实现对多路信号的同步采集；数据处理模块400通过采用FPGA处理器420对采样信号进行并行处理，提高了数据的处理速度，在FPGA处理器420内部嵌入的软核控制器422，使得通过所述软核控制器422对数据采集模块200、数据传输模块600等外围电路进行控制，能够在不改动外围硬件电路的情况下对系统进行升级，具有很高的设计灵活性，而且通过FPGA处理器420实现大部分数字系统设计，不仅减少了外围模块电路的数量，降低了成本，而且还降低了外围电路PCB布线布局的复杂程度，增强了系统的稳定性和信号采集的准确度。
在一个具体的实施例中，所述软核控制器422为Nios II软核控制器，通过所述Nios II软核控制器可实现对外围电路的灵活控制。数据采集模块200中包含多个数据采集通道，该数据采集通道的数量与输入信号的路数相对应，每一数据采集通道对应采集一路输入信号。所述输入信号为模拟信号。
如图2所示，在另一个实施例中，所述数据采集模块200包括信号处理模块240，以及与所述信号处理模块连接的信号转换模块260，所述信号处理模块240用于将采集的同步信号转换为所述信号转换模块260可识别的标准信号，并发送至所述信号转换模块260。
进一步的，所述信号转换模块260包括至少一个A/D转换器262，所述A/D转换器262采用菊花链连接模式进行级联，用于将所述标准信号转换为串行采样信号，并输出给所述数据处理模块400，通过将所述A/D转换器262采用菊花链连接模式进行多片级联，将输入的多路信号转换为串行采样信号并输出，提高了数据传输速率，并保证了采样精度和多路通道信号的采集同步。其中，级联是指将若干个相同的设备联成一个整体，菊花链连接模式是一种简化的级联模式，用于将多个设备串联起来提供集中管理的扩展端口。通过将所述A/D转换器262采用菊花链连接模式进行级联，使得利用有限的信号传输线连接多台设备，共享同一服务，进一步降低了外围电路PCB布线布局的复杂程度以及布线成本，且通过该连接方式不存在总线竞争和阻塞等问题，进一步提高了系统的稳定性。
A/D转换器262的数量与输入信号的路数相对应，每一A/D转换器262对应采集一路输入信号。以数据采集模块包括8个数据采集通道为例，所述信号转换模块包括8个A/D转换器，每4个A/D转换器采用菊花链连接模式进行级联。
在一具体实施例中，所述A/D转换器262为24位A/D转换器AD7765，其具有156ksps的最高采样率，能够满足对各类信号的精密采集。
进一步的，所述数据传输模块600还包括以太网通信模块620和/或USB通信模块640，所述数据处理模块400可通过所述以太网通信模块620和/或通过USB通信模块640与上位机连接，将所述数据处理模块400处理后的数据传输至上位机，以便于通过所述上位机进一步实现对复杂数据的采集、存储和分析，也可通过上位机对所述基于FPGA的数据采集系统发送控制指令，实现利用上位机对整个数据采集系统的控制，且采用以太网进行数据传输具有数据传输量大，传输距离远，传输速率快，抗干扰性好等优点，弥补了多数传输方式的不足。
如图3所示，为本发明一实施例中信号处理模块的的结构示意图，所述信号处理模块240包括可编程增益放大器242，用于对所述采集的同步信号进行放大处理，实现对各类中低频信号的精确采集。在一个具体的实施例中，所述信号处理模块中可编程增益放大器242的数量与所述信号转换模块中A/D转换器262的数量相同且一一对应连接，属于同一菊花链连接模式进行多片级联的多个A/D转换器262包括一个输出端与数据处理模块400的数据缓存器FIFO424连接，所述数据缓存器FIFO用于缓存所述信号转换模块260输出的串行采样信号。
在另一实施例中，所述信号处理模块240还包括与所述可编程增益放大器242和所述A/D转换器262连接的滤波器244，所述滤波器244用于对放大后的信号进行滤波处理，将不相关的信号有效滤除，保证了采集信号的有效性。
进一步的，所述软核控制器422还用于对所述可编程增益放大器242、滤波器244和A/D转换器262发送控制指令，所述可编程增益放大器242、滤波器244和A/D转换器262根据所述控制指令执行对应的操作。
在一具体实施例中，所述滤波器244可采用低通滤波器或者高通滤波器，分别用于对高频信号或者低频信号的滤波处理。所述高通滤波器可以实现对低于0.1Hz、10Hz、400Hz、1KHz频率信号进行滤波处理，具体地，所述高通滤波器可采用四阶巴特沃斯型高通滤波器，保证通频带内外均具有较平滑的特性。
进一步地，所述信号处理模块240还可包括信号衰减器、积分电路、包络解调电路、抗混叠滤波器、信号整形电路中的一种或多种。优选的，信号处理模块240包括依次连接的信号衰减器、高通滤波器、积分电路、可编程增益放大器、包络解调电路、抗混叠滤波器及信号整形电路。信号衰减器可用于对幅值较大的信号进行衰减处理，保护电路不被损坏，增加信号测量范围；积分电路可用于当采集的信号为加速度信号时，实现对加速度信号进行一次积分处理，获得速度信号，以及对所述加速度信号进行二次积分处理，获得位移信号；包络解调电路可用于当采集的信号为振动信号时，通过包络解调法对振动信号进行进行解调，并分离提取出包络信号，以便于准确可靠地诊断出故障所在；抗混叠滤波器具体可采用八阶低通椭圆滤波器，实现对输入信号的抗混叠滤波处理；信号整形电路可用于对激光传感器采集到的不规则转速方波信号进行整形处理，将所述不规则转速方波信号转换为所述信号转换模块260可精准识别得方波信号。
在一具体实施例中，所述数据处理模块400还包括SDRAM存储器440，所述SDRAM存储器440用于储存所述数据采集系统的数据，为系统运行提供内存。所述FPGA处理器420还包括与所述SDRAM存储器440对接的双口RAM426，通过所述双口RAM426在所述SDRAM存储器440中读写系统数据。
进一步地，所述数据处理模块400还包括SD存储卡，用于保存采集的数据，以便于对数据进行记录和离线分析。
数据处理模块400还包括使FPGA处理器正常运行的FPGA最小系统、高速网口电路及高速USB接口电路，其中，FPGA最小系统包括电源、时钟、复位、按键设置、LED指示、串口调试、JTAG下载和FPGA配置等。高速网口电路具体为高速以太网网口电路，网口电路是采集数据的传输通道，用于将FPGA处理后的数据打包通过网口将数据传输到上位机。高速USB接口电路同样为采集数据的传输通道，用于与高速网口电路实现同样的功能。
在一实施例中，所述基于FPGA的数据采集系统还包括电源管理模块，所述电源管理模块分别与所述数据采集模块200、数据处理模块400和数据传输模块600连接，为所述数据采集模块200、数据处理模块400和数据传输模块600提供不同等级的电源电压。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于FPGA的数据采集系统，包括依次连接的数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块，其特征在于，
所述数据采集模块包括至少一个数据采集通道，用于对多路信号进行同步采集和采样，并将采样信号发送至所述数据处理模块；
所述数据处理模块包括分别与所述数据采集模块和所述数据传输模块连接的FPGA处理器，所述FPGA处理器用于对所述采样信号进行处理，以及通过所述FPGA处理器内部集成的软核控制器对所述数据采集模块和数据传输模块进行控制；
所述数据传输模块，用于将所述数据处理模块处理后的信号传输至上位机系统。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集模块包括信号处理模块，以及与所述信号处理模块连接的信号转换模块，所述信号处理模块用于将采集的同步信号转换为所述信号转换模块可识别的标准信号，并发送至所述信号转换模块。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，所述信号转换模块包括至少一个A/D转换器，所述A/D转换器采用菊花链连接模式进行级联，用于将所述标准信号转换为串行采样信号，并输出给所述数据处理模块。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集模块包括8个数据采集通道，所述信号转换模块包括8个A/D转换器，每4个A/D转换器采用菊花链连接模式进行级联。
5.根据权利要求3所述的基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，所述A/D转换器为24位A/D转换器AD7765。
6.根据权利要求3所述的基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，所述信号处理模块包括可编程增益放大器，用于对所述采集的同步信号进行放大处理。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，所述信号处理模块还包括与所述可编程增益放大器和所述A/D转换器连接的滤波器，所述滤波器用于对放大后的信号进行滤波处理。
8.根据权利要求7所述的基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，所述软核控制器还用于对所述可编程增益放大器、滤波器和A/D转换器发送控制指令，所述可编程增益放大器、滤波器和A/D转换器根据所述控制指令执行对应的操作。
9.根据权利要求1所述的基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，所述数据处理模块还包括SDRAM存储器，所述SDRAM存储器用于储存所述数据采集系统的数据。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的基于FPGA的数据采集系统，其特征在于，还包括电源管理模块，所述电源管理模块分别与所述数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块连接，为所述数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块提供不同等级的电源电压。
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