0 引言

    隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于航天、軍事、工業(yè)、醫(yī)療等各個領(lǐng)域，尤其在高精度產(chǎn)品的檢測和監(jiān)控項目中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用^[1]。在實際工程應(yīng)用中，要求采集系統(tǒng)具有高速率、高精度、實時處理、系統(tǒng)穩(wěn)定性好和通道數(shù)量多等特點。但是，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方案多數(shù)以ARM處理器(Advanced RISC Machine，ARM)或數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processing，DSP)作為控制核心，并不能有效解決高速數(shù)據(jù)采集處理中實時性和同步性的技術(shù)難題^[2]。

    與DSP和ARM相比，FPGA在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域有著極其重要的地位。FPGA具有時鐘頻率高、內(nèi)部延時小、純硬件并行控制、運算速度快、編程配置靈活、開發(fā)周期短、抗干擾能力強(qiáng)、內(nèi)部資源豐富等優(yōu)點，非常適用于實時高速數(shù)據(jù)采集^[3-4]。

    針對上述問題，本文設(shè)計了一種以FPGA作為主要處理器的16通道實時高速高精度的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本方案在實際監(jiān)測工程中的采樣頻率為200 kHz，運用FPGA合理地控制和協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)流在各個模塊之間傳輸，進(jìn)而實現(xiàn)系統(tǒng)所需求的實時、同步和高速采集等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

    本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)前采集前端處理、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、選通開關(guān)控制系統(tǒng)和FPGA核心控制系統(tǒng)四部分構(gòu)成。采集前端處理主要對輸入測量系統(tǒng)的模擬信號進(jìn)行濾波處理和幅值控制，以保證輸入采集芯片的模擬信號更加穩(wěn)定；FPGA核心控制系統(tǒng)通過使用FPGA作為核心控制器件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)同步處理、實時采集、數(shù)據(jù)緩存、時序約束、端口控制、數(shù)據(jù)判讀數(shù)、據(jù)存儲等功能；數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的功能是將判讀后的數(shù)據(jù)實時存儲到Flash中；選通開關(guān)控系統(tǒng)則是利用1選8多路復(fù)用開關(guān)ADG1408和固態(tài)繼電器G3FD-X03SN實現(xiàn)被測設(shè)備的輸入信號選通和電源通斷控制，使被測設(shè)備能安全快速地進(jìn)入到監(jiān)測狀態(tài)。本系統(tǒng)需要對8個被測設(shè)備進(jìn)行同步實時循環(huán)測量與控制，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄判讀、傳輸與存儲。主要包括：供電管理與電源控制、直流電壓電流實時監(jiān)測、模擬信號通道切換、射頻信號切換、數(shù)據(jù)存儲等功能。

1.2 系統(tǒng)工作原理

    系統(tǒng)上電后，等待FPGA初始化完成，進(jìn)入等待連接狀態(tài)。當(dāng)外部輸入相關(guān)命令參數(shù)后，由FPGA接收并解析命令。先控制系統(tǒng)內(nèi)部選通開關(guān)工作，將被選中的設(shè)備信號接入采集系統(tǒng)中。然后向被測設(shè)備發(fā)出控制信息，同時采集系統(tǒng)實時監(jiān)控被測設(shè)備的供電情況，隨后，將采集的數(shù)據(jù)緩存到FPGA內(nèi)部隨機(jī)存取存儲器(Random Access Memory，RAM)中等待處理。最后將采集到的數(shù)據(jù)通過FPGA片上先進(jìn)先出隊列(First Input First Output，F(xiàn)IFO)回傳到外部監(jiān)視器上進(jìn)行實時顯示，按照相應(yīng)規(guī)則進(jìn)行判決并存儲，形成測試數(shù)據(jù)報表。

2 部分硬件電路設(shè)計

2.1 信號調(diào)理電路設(shè)計

    由于輸入系統(tǒng)的被測信號的電壓幅值為27 V，無法直接對被測信號進(jìn)行采集處理，因此本系統(tǒng)設(shè)計了信號調(diào)理電路對輸入系統(tǒng)的模擬信號進(jìn)行濾波處理和幅值控制。該電路通過采用可編程放大器AD8065設(shè)計了一個具有較平坦通帶的二階有源巴特沃斯低通濾波器，對前端輸入模擬電壓信號進(jìn)行濾波處理。隨后，利用芯片MAX4080將模擬電流信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號。然后，使用高精度的電阻網(wǎng)絡(luò)分壓方式對被測模擬電壓進(jìn)行比例降壓，再經(jīng)過高性能運放AD8276進(jìn)行模擬電壓調(diào)理。最后，傳送到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)進(jìn)行采樣。經(jīng)過該硬件調(diào)理后，可以保障輸入采集芯片的模擬電壓信號具有平滑、穩(wěn)定的特性。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

    A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集的核心器件，影響著整個系統(tǒng)的采樣精度、采樣速率和數(shù)據(jù)吞吐量，所以芯片選型是采集系統(tǒng)設(shè)計中最關(guān)鍵的一步。本系統(tǒng)設(shè)計采用ADI公司的高精度、低功耗、電荷再次分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7609，該產(chǎn)品是一款8通道、18位、真差分、同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)采用兩片AD7609芯片構(gòu)成了16路通道的數(shù)據(jù)采集電路。AD7609硬件電路圖如圖2所示，將并行/串行接口選擇輸入端與3.3 V電平直接相連，再將芯片引腳CONVST A和CONVST B短接在一起，并施加同一個轉(zhuǎn)換信號可以實現(xiàn)8個通道同時轉(zhuǎn)換。

2.3 存儲電路設(shè)計

    數(shù)據(jù)采集完成后，將相應(yīng)通道的采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)視器進(jìn)行實時顯示和存儲到Flash閃存中，等待外部控制器發(fā)送讀取命令。本系統(tǒng)采用ST公司的S25FL128P Flash存儲器進(jìn)行實時存儲。該芯片存儲容量為128 Mbit，通過SPI接口與外部控制器建立通信，接口的時鐘頻率最大可達(dá)到104 MHz。該芯片具有設(shè)計簡單、存儲數(shù)據(jù)穩(wěn)定和價格低廉等特點，具有廣泛的實用性。Flash存儲電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    FPGA軟件設(shè)計主要劃分成系統(tǒng)同步時鐘、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)存儲4個模塊，下面依次介紹各個模塊的設(shè)計。

3.1 系統(tǒng)同步時鐘模塊

    由于A/D采樣和Flash數(shù)據(jù)存儲時鐘均為50 MHz，而數(shù)據(jù)處理和RAM緩存讀寫控制的時鐘均為100 MHz。因此，為了保證系統(tǒng)各模塊之間數(shù)據(jù)傳輸與處理的同步性，本系統(tǒng)采用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)IP核倍頻或分頻生成100 MHz和50 MHz的時鐘。通過調(diào)用鎖相環(huán)設(shè)計出一個具有低抖動、低延遲的系統(tǒng)時鐘，保障了高速采集系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定^[5-6]。與大多數(shù)時鐘同步方案不同，該系統(tǒng)同步時鐘模塊除了使用PLL之外，還要通過時序約束的方式來減小數(shù)據(jù)與時鐘之間偏斜，重新建立時鐘偏斜的保持時間(Time Setup，TSU)如圖4所示。通過時序約束不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘同步，還能避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯誤。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

    FPGA對AD7609的控制主要是通過對轉(zhuǎn)換信號CONVST AB、片選信號CS、時鐘信號SCLK進(jìn)行控制，完成采樣率調(diào)整和采樣啟?？刂?。如圖5(a)所示，本模塊通過控制AD7609在轉(zhuǎn)換期間讀取數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行采樣。當(dāng)檢測到BUSY下降沿時，則完成所有通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。從圖5(b)的仿真圖可以看出，通過使用系統(tǒng)同步時鐘模塊可以實現(xiàn)16路通道的同步采集功能。由于AD7609的輸出編碼方式為二進(jìn)制補(bǔ)碼，因此采集完成后可以通過ADC傳遞函數(shù)得到轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號代表的幅值，轉(zhuǎn)換公式為：

式中，CODE為轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制碼，V+和V-是電源供電電壓，REF則為基準(zhǔn)電壓。 

3.3 數(shù)據(jù)緩存模塊

    由于系統(tǒng)為16通道同步數(shù)據(jù)采集，因此每完成一次采集會產(chǎn)生大量待處理數(shù)據(jù)。并且由于FPGA與外部處理器通信之間存在硬件差異，會導(dǎo)致其與外部處理器之間存在傳輸處理速度不匹配的問題。因此，為了滿足系統(tǒng)所需實時存儲和傳輸要求，本系統(tǒng)采用了一種乒乓結(jié)構(gòu)的傳輸方式^[6]進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存。利用FPGA內(nèi)置的知識產(chǎn)權(quán)核（Intellectual Property core，IP）資源，在ISE14.7軟件操作平臺上，構(gòu)建系統(tǒng)所需18 bit位寬的塊RAM和FIFO各兩片進(jìn)行輪流讀寫操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時緩存的功能。如圖6所示，若使能信號Crl_1處于高電平，則控制RAM_1進(jìn)行存儲。當(dāng)RAM_1存儲滿后，產(chǎn)生另一個使能控制信號Crl_2并將使能信號Crl_1電平翻轉(zhuǎn)，由RAM_2繼續(xù)行數(shù)據(jù)存儲。當(dāng)使能信號Crl_2到來時，等待系統(tǒng)判讀生效后，則控制FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存。若該控制信號處于高電平則FIFO_1進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存。當(dāng)FIFO_1緩存滿后則將使能控制信號Crl_2的電平翻轉(zhuǎn)，由FIFO_2繼續(xù)緩存，并將FIFO_1中的數(shù)據(jù)通過某種協(xié)議傳送到外部控制器進(jìn)行處理。如此周而復(fù)始，在RAM和FIFO緩存器中進(jìn)行乒乓操作，可以實現(xiàn)系統(tǒng)所需實時存儲和傳輸功能。

    如圖7數(shù)據(jù)緩存仿真圖所示，通過時序約束實現(xiàn)了兩個不同緩存器之間的同步讀寫操作，很好地完成了乒乓式的數(shù)據(jù)緩存功能。

3.4 數(shù)據(jù)存儲模塊

    利用外部處理器設(shè)定一個閾值，將緩存進(jìn)RAM中的數(shù)據(jù)與閾值比對。若大于閾值電壓，則判讀無效將被測設(shè)備電源和信號選通開關(guān)斷開；反之，數(shù)據(jù)判讀有效，需要將采集時間、外部命令輸入以及采集數(shù)據(jù)組幀后，實時存儲到Flash中。本模塊利用FPGA通過SPI總線與M25P128芯片建立主從關(guān)系，實現(xiàn)了Sector擦除、Page編程、地址管理、數(shù)據(jù)讀取等功能，從而快速、準(zhǔn)確地在Flash芯片中實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫功能。該模塊采用了摩爾狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，既消除了狀態(tài)跳轉(zhuǎn)時造成的毛刺，又很好地完成了存儲與讀取功能。數(shù)據(jù)存儲與讀取狀態(tài)圖如圖8所示。圖中地址管理除了實現(xiàn)頁面讀寫地址轉(zhuǎn)換外，還要將第一個頁面用于存儲下最后一次存儲的地址，在斷電重啟后，能緊接著掉電前的數(shù)據(jù)繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

    Flash數(shù)據(jù)存儲仿真圖如圖9所示，數(shù)據(jù)存儲功能是將8 bit的并行數(shù)據(jù)通過Flash_SI引腳串行輸入到Flash芯片中實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲功能。數(shù)據(jù)讀取功能則需要創(chuàng)建一個8位的移位寄存器將Flash_SO引腳的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)，傳輸?shù)酵獠刻幚砥鬟M(jìn)行處理。

4 結(jié)論

    針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)不能有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)在傳輸和存儲過程中的同步性、實時性問題，本文設(shè)計了一種基于FPGA的16通道高精度同步實時高速采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA控制AD7609在轉(zhuǎn)換期間讀取數(shù)據(jù)的傳輸方式，使系統(tǒng)能夠達(dá)到200 kHz采樣率。通過合理利用FPGA內(nèi)部資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存的乒乓傳輸方式，從而完成了數(shù)據(jù)的實時傳輸和Flash的實時存儲功能，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸和存儲的可靠性、有效性和穩(wěn)定性，極大地發(fā)揮出了FPGA的高速數(shù)據(jù)并行處理能力和時序約束能力。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某實際工程監(jiān)測項目中，具有一定的應(yīng)用價值。

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作者信息:

易志強(qiáng)，韓  賓，江  虹，張秋云

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽621010)