CN206075260U - 一种基于fpga的计算机数据采集控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的计算机数据采集控制系统，该系统由传感器组、信号调理电路、多路选择模块、AD转换模块、FPGA控制模块、电平转换模块、串行通讯模块和上位机组成；其中FPGA控制模块为系统控制的核心，设计实现了脉冲信号处理模块、启/停信号处理模块、AD转换模块模块、FIFO存储器模块、串行通讯模块和采集逻辑控制模块，完成了对多种传感器信号的同步采集处理。该实用新型可以实现对电流信号、电压信号、低频微伏电压信号等多种信号形式的采集，具有低成本，操作简单，处理速度快等优点，可以广泛应用于科研实验场所和工业生产现场。

Description

一种基于FPGA的计算机数据采集控制系统

技术领域

本实用新型属于工业数据监测领域的具体应用，尤其涉及一种基于FPGA的计算机数据采集控制系统。

背景技术

在全球范围内，伴随着工业、军事、制造等行业的快速发展，数据采集系统将继续拥有着宽广的应用前景，对采集系统的研究和升级也必将成为主流发展趋势。尤其在军事等高精尖科研领域，对更高性能的数据采集系统的需求日益增高，现代数据采集系统正朝着高性能、智能化、低成本、开放化方向发展。然而，我国的数据采集系统经过多年的发展，虽然已经符合很多应用场合信号测量要求，且性价比较高，但在一些对测量性能要求较高的场所，国内单位自主研发的数据采集系统性能稍差，与国外相比还存在一定差距，采样速率，采样精度等都存在不足，采样率一般都在数GSPS以下，带宽不超过200MHz，数模转换器位数多为12位以下。此外，国内采集系统普遍功能相对单一，通道数和接口种类较少，应用范围较小。

实用新型内容

为了进一步实现对多种信号形式的调理、滤波、放大和采集，本实用新型的目的在于提供一种基于FPGA的计算机数据采集控制系统，该实用新型具有低成本，操作简单，处理速度快等优点，可以广泛应用于科研实验场所和工业生产现场。

为了实现上述系统，本实用新型采取的技术方案是：

一种基于FPGA的计算机数据采集控制系统，其特征在于，该系统包括传感器组、信号调理电路、多路选择模块、AD转换模块、FPGA控制模块、电平转换模块、串行通讯模块和上位机；所述信号调理电路接在传感器组与多路选择模块之间，将传感器组中的电流输出信号转换成电压信号；所述的多路选择模块接在信号调理电路与AD转换模块之间，多路选择模块针对输入AD转换模块的电压信号进行选择；所述的AD转换模块接在多路选择模块与FPGA控制模块之间，AD转换模块通过接收FPGA的时序控制信号，对直流电压进行模数转换，并利用模数芯片的串行数据输出端将电压值的数字信号发送到FPGA做分析与处理；所述的电平转换模块接在传感器组与FPGA控制模块之间，将传感器组的数字脉冲信号进行电平转换，传输到 FPGA 进行处理和分析；所述的串行通讯模块接在FPGA控制模块与上位机之间，采用MAX232 芯片实现电平转换，通过串行通讯模块完成 FPGA 控制器与上位机的数据和命令交互。

在该系统中，所述的AD转换模块采用TLC1549芯片，为保障模数转换的精度，TLC1549采用双电源供电，使用LM2940-5的5VDC为作为芯片电源，使用LM4050-5精密基准电压源为芯片提供参考电压，保障了模数转换的参考电压，具有长时间的稳定性和较低的纹波。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型包含了电压信号、电流信号、低频微伏信号（mV级）、光栅脉冲信号、普通脉冲信号、Start/Stop信号等多种输入信号接口，系统接口类型较丰富，可完成对实验室中压力传感器、称重传感器、流量传感器、光栅传感器、磁致伸缩传感器、温度传感器、转速传感器等多种传感器的测量。在保持较低成本的同时，涵盖了大多数工业现场的模拟信号形式，除了可应用于科研领域中的信号采集，更可广泛应用工农业生产中的数据监控，工业过程控制中的数据处理，乃至娱乐生活，家用电子等更多领域，具有重要的实际应用价值和意义。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的解释说明。

图1是数据采集系统模块结构框图；

图2是系统FPGA逻辑设计模块框图；

图3是系统光栅信号处理模块处理流程；

图4是系统磁致伸缩位移传感器测量处理流程图。

具体实施方式

本实用新型的具体实施方式为：一种基于FPGA的计算机数据采集控制系统，包括传感器组、信号调理电路、多路选择模块、AD转换模块、FPGA控制模块、电平转换模块、串行通讯模块和上位机；信号调理电路接在传感器组与多路选择模块之间，将传感器组中的电流输出信号转换成电压信号；多路选择模块接在信号调理电路与AD转换模块之间，多路选择模块针对输入AD转换模块的电压信号进行选择；AD转换模块接在多路选择模块与FPGA控制模块之间，AD转换模块通过接收FPGA的时序控制信号，对直流电压进行模数转换，并利用模数芯片的串行数据输出端将电压值的数字信号发送到FPGA做分析与处理；电平转换模块接在传感器组与FPGA控制模块之间，将传感器组的数字脉冲信号进行电平转换，传输到FPGA 进行处理和分析；串行通讯模块接在FPGA控制模块与上位机之间，采用MAX232 芯片实现电平转换，通过串行通讯模块完成 FPGA 控制器与上位机的数据和命令交互。

图1是数据采集系统模块结构框图，各传感器信号的处理流程为：对于模拟信号，通过信号调理电路，将各种模拟信号转换为统一的0~5V直流电压，模数转换电路将此电压进行AD转换，并将获得的电压值数字量发送到FPGA做进一步处理；对于数字信号，通过信号调理电路，将数字脉冲进行电平转换等操作转换为FPGA可以读取的数字信号，并直接输入到FPGA中进行处理。

图2是系统FPGA逻辑设计模块框图，系统以FPGA为核心控制器，软件编程和仿真，实现传感器信号的采集处理、采集流程的逻辑控制、数据的缓存和存储、与上位机的数据通讯四大功能。FPGA软件设计由六个模块组成：脉冲信号处理模块、启/停信号处理模块、AD转换控制模块、FIFO存储器模块、串行通讯模块和采集逻辑控制模块。数据采集系统首先接收上位机的采集模式选择命令。若对单一模拟信号进行连续采样，则通过保持该路信号开关的闭合状态进行连续AD转换，若需对多传感器进行循环采样，则通过循环切换通道开关循环进行AD转换。基于FPGA硬件同步的优势，控制器在控制TLC1549进行AD转换的同时，各模块对光栅信号、启停信号、编码器信号同步进行采集、处理，并计算各传感器测量参数的数值。随后，各采集模块的数据进入到采集逻辑控制模块，根据采集模式对不同的传感器数据进行打包整合，并存入到FIFO中缓存，匹配采集模块和发送模块的时钟域和数据位宽，最终将数据经串口发送模块持续的发送至串口总线，实现与上位机的数据交互。

图3是系统光栅信号处理模块处理流程，电路的输入信号为相位差为 90°的两路方波信号。因为两路方波在一个周期内有两个上升沿和两个下降沿，所以通过对边沿的捕捉可实现对脉冲的四细分。以光栅的正向移动为例，当光栅正向移动，A 相信号超前 B 相90°，在一个周期内，同时分析两个信号的变化，AB 信号的相对变化：A0B0→A1B0→A1B1→A0B1→A0B0， 在上升沿和下降沿共发生四次相对变化，系统在这四次变化时分别产生脉冲，从而实 现了对原始光栅脉冲信号的 4 倍频，也使位移测量精确度提高了 4 倍。对四细分之后 的脉冲信号，每发生一次变化，利用可逆计数器进行一次计数，一个周期内共实现 4 次计数。

图4是系统磁致伸缩位移传感器测量处理流程图。对信号的采集流程为首先产生初始脉冲（即-Init和+Init），并等待捕捉启动停止脉冲（-Start/Stop和+Start/Stop），最后计算启动脉冲和停止脉冲的时间间隔dt~s（即两个Start/Stop脉冲的间隔），利用该时间间隔dt~s和扭转波的传播速度（由产品手册可查该传感器的传播速度为2800m/s）便可求出位移值。

除了上述以外本实用新型所属技术领域的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。虽然本实用新型是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解到，在所述权利要求书中所限定的本实用新型的精神和范围内，还可对本实用新型做出多种改动和变动。

Claims (1)

1.一种基于FPGA的计算机数据采集控制系统，其特征在于，该系统包括传感器组、信号调理电路、多路选择模块、AD转换模块、FPGA控制模块、电平转换模块、串行通讯模块和上位机；所述信号调理电路接在传感器组与多路选择模块之间，将传感器组中的电流输出信号转换成电压信号；所述的多路选择模块接在信号调理电路与AD转换模块之间，多路选择模块针对输入AD转换模块的电压信号进行选择；所述的AD转换模块接在多路选择模块与FPGA控制模块之间，AD转换模块通过接收FPGA的时序控制信号，对直流电压进行模数转换，并利用模数芯片的串行数据输出端将电压值的数字信号发送到FPGA做分析与处理；所述的电平转换模块接在传感器组与FPGA控制模块之间，将传感器组的数字脉冲信号进行电平转换，传输到 FPGA 进行处理和分析；所述的串行通讯模块接在FPGA控制模块与上位机之间，采用MAX232 芯片实现电平转换，通过串行通讯模块完成 FPGA 控制器与上位机的数据和命令交互。