（控制理论与控制工程专业论文）基于mcufpga组合的高速数据采集系统的设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于m c u + f p g a 组合的高速数据采集系统的设计 摘要 高速数据采集系统在自动控制、电气测量、地质物探、航空航天等工 程实践中有着极为广泛的应用。如何对高速的信号进行实时采集、实时存 储，保证信号不丢失，以满足工业现场的需要，一直是高速数据采集系统 研究的一个重要方向。 传统的高速数据采集系统，利用单片机和硬件f i f o 对信号进行采集， 但是这种系统控制单一，且不易于升级。现在有许多采用d s p 处理器的高 速数据采集系统，但是作为系统控制芯片的d s p ，使用起来比较复杂，尤 其是其内部的算法。f p g a 电路逻辑关系清晰，芯片时延小、速度快，且可 用v h d l 或v e r i l o gh d l 描述其内部逻辑电路，便于修改和升级。如果在 高速数据采集系统中采用f p g a 控制器，将极大地提高系统的稳定性和可 靠性。 文章在对有关应用背景的分析和对当前高速数据采集系统的研究的基 础上，选择m c u + f p g a 的组合设计方案。采用c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机控制系统的启动、停止，数据采集的允许，数据传输等；采用a l t e r a 公司c y c l o n e i i 系列的e p 2 c s q 2 0 8 c 7 芯片控制高速数据的缓存和存储点数 等。 文章首先对当前国内外高速数据采集系统进行分析和研究，明确了各种 太原理工大学硕士研究生学位论文 高速系统所采用的结构和方式，简要介绍了数据采集的一些基本理论，然 后在此基础上，确定了本系统的硬件结构和所要采用的各种集成电路芯片， 在具体设计p c b 时，充分考虑信号干扰、信号隔离等问题；f p g a 是系统 的核心部件，是系统设计的关键，文中详细地阐述其内部时序电路的设计 过程，并给出了电路原理图和仿真时序图；设计系统软件时，单片机采用 语法灵活的c 语言来编写，提高了程序的可读性和移植性，数据处理软件 采用v b 和d e l p h i 混合编程，充分利用两者的优点。文章的最后，介绍了 系统调试的过程，验证了本系统基本实现预定的功能。 实践证明，该设计方案取得比较好的效果，运行稳定。 关键字：f p g a ，数据采集，c 8 0 5 1 f ，高速a d c ，u s b 总线 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ed e s i g no fm g h s p e e dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e d o nm c u a n df p g a a b s t r a c t i nt h ed o m a i no fa u t o m a t i o n 、e l e c t r i c m e a s u r e 、g e o l o g i c a le x p l o r e 、 a v i g a t i o n ，h i 曲一s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sa p p l i e db r o a d l y t h ei m p o r t a n t a s p e c to fh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ( d a s ) i sh o wt oc o l l e c ta n ds a v e h i g h 。s p e e ds i g n a lt i m e l yi no r d e rt oe n s u r es i g n a ln o tl o s i n ga n dt om e e tt h e n e e do fi n d u s t r ys p o t t r a d i t i o n a lh i g h 。s p e e dd a su s i n gs i n g l e c h i pa n dh a r d w a r ef i f ot og a t h e r s i g n a li so fs i n g l e n e s sa n du p g r a d eh a r d l y n o w a d a y s ，t h eh i g h s p e e dd a s u s i n gd s pp r o c e s s o ri sv e r yp o p u l a r ，b u tt h i ss y s t e mi sc o m p l e x ，e s p e c i a l l yi t s i n t e r n a la r i t h m e t i c f p g ai so f c i r c u i tl o g i cl e g i b l e ，t i m e - d e l a y s m a l l ，s p e e df a s t a n ds oo n ，a n dw ec a l lu s ev h d lo r v e r i l o gh d l t od e s c r i b ec h i p sl o g i cc i r c u i t w h i c hc a nb em o d i f i e da n du p g r a d e de a s i l y i ft h ef p g ac o n t r o l l e ri sa d o p t e di n h i g h s p e e dd a s t h e ni tw i l la d v a n c eg r e a t l yt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e m b a s e do nt h e a n a l y s i so fi n t e r r e l a t e da p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dt h e r e s e a r c hf o rc u r r e n th i 曲一s p e e dd a s ，w ei n t r o d u c et h ed e s i g nw a yo f m c u a n d f p g a u s ec y g n a li n cc 8 0 5 1 f 1 2 0s i n g l e c h i pt oc o n t r o ls t a r t - u pa n ds t o po f t t t 太原理工大学硕士研究生学位论文 s y s t e m ，p e r m i s s i o no fd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t at r a n s m i s s i o ne t c u s ea l t e r ai n c c y c l o n ei i s e r i e se p 2 c 8 q 2 0 8 c 7c h i pt oc o n t r o lb u f f e ro f h i g h s p e e dd a t aa n d s a m p l eo fs t o r a g ee t c f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea n a l y s i sa n ds t t l d yo fh i g h - s p e e dd a s h o m ea n da b r o a dc u r r e n t l ya n dt h et h e o r ya b o u td a t aa c q u i s i t i o n ，t h e nw e a s c e r t a i nt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fs y s t e ma n di cc h i p su s e di nt h i sp a p e r w e d e s i g np c ba f t e rs u f f i c i e n t l yt h i n k i n go v e rs i g n a ld i s t u r b a n c ea n ds i g n a l i n s u l a t i o na n ds oo n f p g ai st h em a i np a r to fs y s t e ma n dt h ek e yo fs y s t e m d e s i g n ，a n di nt h i sp a p e r ，w ee x p a t i a t ei nd e t a i lt h ed e s i g np r o c e s so fi t si n t e r n a l c i r c u i t ，l i s ti t sp r i n c i p l ec h a r ta n de m u l a t i o nf i g u r e i nt h ea s p e c to fs o f t w a r e ， w ea d o p tcl a n g u a g et o c o m p i l es i n g l e c h i pp r o g r a mi no r d e rt oi m p r o v e r e a d a b i l i t ya n dt r a n s p l a n t a t i o no f p r o g r a m ，a n dw eu s ev ba n dd e l p h il a n g u a g e t oc o m p i l ed a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r ei no r d e rt ot a k ef u l la d v a n t a g eo ft h e i rm e r i t i nt h ee n do ft h i sp a p e r ，w e p r e s e n tt h ep r o c e s so fs y s t e md e b u gt ov a l i d a t et h e f u n c t i o no f s y s t e mt h a tw ew a n tt oa c h i e v e p r a c t i c et e s t i f i e st h i sd a sr u n ss t a b l y ，c o m p l e t e sp r e a r r a n g et a s k k e yw o r d s ：f p g a ，d a t a a c q u i s i t i o n ，c 8 0 51 f ，h i g ha d c ，u s bb u s i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 图表索引 1 15 1 单片机数据采集装置框图 1 2d s p 处理器数据采集装置框图3 1 3a r m + c p l d 数据采集装置框图3 1 4 p c i - 1 7 1 1 1 7 1 l l 型数据采集卡6 1 5 高速窄脉冲波形图 2 1 高速数据采集系统框图 2 2 多路数据采集机构框图 2 3 a 多输入的模数转换电路方式1 2 4 模数转换过程 2 5 采样保持过程 l1 3 1 数据采集系统硬件总体框图1 5 禾1 硬件总体框图 4 2 l m 3 6 7 1 原理图 4 - 3l t c 3 2 0 4 原理图 4 - 4 m a x l 7 6 0 原理图 4 5 a d 8 0 6 2 功能框图 4 - 6 a d 8 0 6 2 原理图 4 - 7 a d 8 1 3 8 功能框图 4 8 a d 8 1 3 8 原理图 4 - 9 启动电路原理图 4 1 0 l t l 7 1 5 功能框图 2 2 2 3 2 4 ，2 4 2 5 2 5 2 6 4 n 比较触发电路原理图 4 - 1 2 a d 9 4 8 1 时序图 4 1 3a d 9 4 8 1 连接框图 禾1 4e p 2 c 8 芯片框图 v i i i 2 7 2 7 2 8 2 9 3 0 图图图图图图图图图图图图图图图图图围图图图图图图图 太原理工大学硕士研究生学位论文 图4 - 1 5f p g a 连接框图3 l 图4 - 1 6c 8 0 5 1 f 1 2 0 原理框图3 2 图4 1 7 高速采集电路的c 8 0 5 1 f 1 2 0 原理图3 4 图4 1 8 控制板电路的c 8 0 5 1 f 1 2 0 原理图。 图5 1f p g a 与a d c 和f l a s h 存储器的连接框图 3 5 4 3 图5 2 数据存储格式图4 4 图5 3 前级f i f o 原理图4 4 图5 4 前级f i f o 仿真图4 5 图5 5 前级f i f o 写数据原理图 图5 6 前级f i f o 写数据仿真图 4 6 4 8 图5 7 前级f i f o 读数据原理图4 8 图5 8 前级f i f o 读数据仿真图5 0 图5 9 后级f i f o 原理图。：5 0 图5 ；1 0 后级f i f o 仿真图5 1 图5 1 1 后级f i f o 读数据原理图5 2 图5 。1 2 后级f i f o 读数据仿真图5 4 图岳l 单片机与计算机的连接框图6 6 图6 2s i l i c o ni d e 编译环境二6 6 图6 3 单片机数据采集流程图。6 8 图6 4 单片机写数据流程图。6 9 图6 - 5 单片机读数据流程图。7 0 图6 - 6v b 读数流程图7 l 图7 - 1c h 3 7 2 d r v e ) ( e 安装界面。7 9 图7 2v b 数据采集界面8 0 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教币的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：应董! 主翌日期：如。 争 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：之亟! 主至日期： 导师签名：础 咖。 审 日期：出立竺 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 数据采集和处理技术的发展日新月异，随着集成电路技术和软件技术的不断发展和 解决复杂问题能力的不断提高，数据采集系统的概念和内涵也在不断地调整，从最初单 纯的采集，到现在包括高速、复杂的运算和信号处理，可扩展性和易用性的提高。人们 在不停地寻求新的数据采集方法【1 1 。 1 1 课题的背景 本课题源于实际工作中对某项目的研究。 山西科泰微技术有限公司某项目中要设计一种高速数据采集系统，用于高速柔性滑 轨试验中弹上引信激光回波动态信号和引信工作相关信号的采集记录。系统在引信高速 运动中完成6 路引信窄脉冲回波信号的采集记录，并在记录完成后通过数据通信接口把 记录结果传输到计算机中，实现信号分析处理。完成6 路窄脉冲信号的记录，要求每一 个路的采样频率为2 0 0 m h z ，记录重频为1 0 0 k h z ，脉宽2 0 1 0 0 n s 的脉冲波形( 记录脉 冲波形及其对应的时间，时间分辨率1 0 n s ) ，记录时间1 0 s 。 高速采样是本系统设计的难点和重点，如何才能保证系统工作时数据不丢失，不紊 乱，这在很大程度上取决于如何处理好数据的高速缓存。 1 2 数据采集的国内外研究现状和发展方向 数据采集与处理一直是生产实践研究与应用领域的一个热点和难点。随着微电子制 造工艺水平的飞速提高及数据分析理论的进一步完善与成熟，目前国内外对数据采集系 统的高性能方面的研究上取得了很大的成就。就a d 转换的精度、速度和通道数来说， 采样通道由单通道发展到双通道、多通道，采样频率、分辨率、精度逐步提高，为分析 功能的加强提供了前提条件。 而在数据分析的微处理器上，最初的数据采集系统以8 位单片机为核心，随着微电 子技术的不断发展，各种单片机的不断问世，十六位、三十二位单片机也为数据采集系 统研制厂家所采用，近来采用具有d s p 功能的数据采集系统也已投入市场。同时，通 用p c 机的c p u 用于数据处理也较为常见。总之，伴随着高性能微处理器的采用和用 太原理工大学硕士研究生学位论文 户技术要求的不断提高，数据采集系统的功能也越来越完善。 数据采集系统的发展主要体现在以下几个趋势： 首先，在专业测控方面，基于p c 计算机的数据采集系统越来越成熟和智能化。在 过去的二十年中，开放式架构p c 机的处理能力平均每十八个月就增强一倍。为了充分 利用处理器速度的发展，现代开放式测量平台结合了高速总线接口，如p c i 和 p x i c o m p a e tp c i ，以便获得性能的进一步提升。计算机的性能提升和由此引起的基于 计算机的测量技术的创新，正在持续不断地模糊着传统仪器和基于计算机的测量仪器之 间的界线。 其次，在通用测控方面，采用嵌入式微处理器的方案也由早期的采用a d 器件和标 准单片机组成应用系统发展到在单芯片上实现完整的数据采集与分析，即目前极为热门 的s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 。通常在一块芯片上会集成一个可以采样多路模拟信号的a d 转换子系统和一个硬c p u 核( 比如增强型8 0 5 2 内核) ，而且其c p u 的运算处理速度和 性能也较早期的标准c p u 内核提高了数倍，而且有着极低的功耗。这种单芯片解决方 案降低了系统的成本和设计的复杂性【2 】。 目前，常见的高速数据采集装置有以下几种： 按照处理器不同来分类： 1 5 1 系列单片机 图1 - 15 1 单片祝数据采集装置框图 f i g 1 1t h eb l o c kd i a g r a mo f d a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n tw i t h5 1s i n g l e e h i p 采用5 1 系列单片机作为控制单元，加上硬件f i f o 作为缓冲模块，构成一种比较简 单的数据采集装置，如图1 1 所示。如果模拟信号有多路，那么就必须要进行通道切换， 利用c p l d 来控制通道的切换，使得一次只能允许一路信号进入高速a d c ，之后进入 f i f o 缓冲，在5 1 单片机的控制下，将数字量写入固态存储器或者上传到计算机。这种 装置总体看来，比较简单，实现起来也比较容易，在数据采集的早期，采用得最多。 2 d s p 处理器 d s p 处理器具有巨大的数据实时处理能力口l ，将d s p 取代5 l 单片机作为数据采集 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 装置的控制芯片，对提高系统的速度，效果非常明显，尤其是d s p 与高速总线结合使 用1 4 ，更能发挥d s p 的优势，装置如图1 2 所示。 u s b 接口 图1 2d s p 处理器数据采集装置框图 f i g 1 - 2t h eb l o c kd i a g r a mo f d a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n tw i t hd s pp r o c e s s o r 3 a r m 处理器 以a r m 7 t d m i 为核的处理器，使用得最多，因为a r m 7 t d m ir i s c 处理器核是低 功耗、高性能的1 6 3 2 秘5 1 。 图1 3a r m + c p l d 数据采集装置框图 f i g 1 3 t h e b l o c k d i a g r a m o f d a t a a c q u i s i t i o n e q u i p m e n t w i t h a r m & c p l d 用以a r m 7 t d m i 为核的a r m 处理器来取代5 1 单片机，虽然速度上与d s p 不能比， 但性能并不逊色，其非常丰富的片上资源，使得设计非常方便。这种数据采集装置，如 图1 3 所示，使用a r m 处理器作为控制单元，f i f o 作为缓冲单元。现在对采集的信号 往往是多路的，所以加入c p l d 来控制模拟开关，使得一次只能通过一路信号，在a d 转换器中进行转换。 目前的数据采集产品，比较著名的有以下： 1 美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) e l n i 作为基于p c 的数据采集产品领导者，为用户提供了最为广泛的数据采集设备选 择：从台式、便携式到联网的应用；p c i 、p c i e x p r e s s 、p x i 、p c m c i a 、u s b 、c o m p a e t f l a s h 、 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 e t h e r n e t 以及火线等各种总线选择；w i n d o w s ，l i n u x ，m a c o s x ，p o c k e tp c w i n d o w sc e 与r t x 等各种操作系统选择，应有尽有。 n i 的产品分类十分丰富，公司生产的数据采集卡的接口类型包含p c i ，u s b ，p x i 等，用户可依据需要来选择。以下介绍几种典型的产品： 曲n iu s b 一6 2 5 9 n iu s b - 6 2 5 9 是一款u s b 高速m 系列多功能d a q 模块，在高采样率下也能保持高 精度。n iu s b - 6 2 5 9 是动态信号采集类应用和配合n l 信号调理进行传感器测量的理想 选择。n iu s b - 6 2 5 9 为移动应用或空间上有限制的应用专门设计。其即插即用的安装最 大程度地降低了配置和设置时间，同时它能直接与螺丝端子相连，从而削减了成本并简 化了信号的连接。该模块还具有新的n i 信号数据流技术，实现了u s b 总线上类似d m a 的双向高速数据流操作。它的特点是：3 2 路模拟输入( 1 6 位) ；每通道1 2 5 m s s 采样 率( 总计1 m s s ) 4 路模拟输出( 1 6 位，2 8 m s s ) ；4 8 条数字i o 线( 3 2 条时钟线) ；2 个3 2 位计数器。 n ip c i - 6 1 3 2 n ip c i - 6 1 3 2 结合了最新的低价位p c 技术，可为高通道数的数据采集及控制系统提 供同步采样和强大的处理能力。采用n i - d a q m x 时为2 5 m s s ，在高速模式下为3m s s ， 4 路差分模拟输入，1 4 位精度，同步采样，4 个信号范围；8 条硬件定时数字f o 线；2 个2 4 位计数器；数字触发。 小n ip x i - 5 1 0 5 n ip x i - 5 1 0 5 是一款高密度数字化仪器，拥有8 条同步采样通道。p c i - 5 1 0 5 具有从 5 0 m v 到3 0 v 的超宽输入范围、软件可选的5 0 q 或1 m q 输入阻抗、高达5 1 2 m b 的 大容量板载内存，各种触发选项以及紧密的同步能力。借助p x i 5 1 0 5 ，可在任一款p x i 机箱内创建1 3 6 条相干相位通道。特点：8 路可同步采样通道，6 0m s s 实时采样率， 6 0 m h z 模拟带宽，输入范围：5 0 m v 到3 0 v ，1 2 位垂直分辨率，5 0 q 或l m q 的输 入阻抗( 软件可选) ，高达5 1 2m b 的板载内存，延长采集时间。 2 美国d a t at r a n s l a t i o n 公司【刀 d a t at r a n s l a t i o n , i n c 公司是世界上著名的数据采集，图像分析和机器视觉解决方案 供应商。其产品非常丰富，包含u s b 数据采集、同步u s b 数据采集、数字f o 、振动 和噪音测试解决方案、d s p 控制和数据采集、p c i i s a 卡数据采集等【4 l 。 a ) u s b 数据采集的d t 9 8 3 6 3 2 系列 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 同步u s b 数据采集的d t 9 8 3 6 3 2 系列有d t 9 8 3 2 a 0 2 2 b n c ，d t 9 8 3 2 a 0 2 2 o e m 等，每通道2 0 m h z 采样率，高速，多功能模块，可满足需要同步测量的应用，带积分 译码器输入。特点如下： 2 通道模拟输入，1 6 位分辨率 每通道2 0 m h z 采样率 5 0 0 v 隔离子p c 可选带2 通道模拟波形输出，速率达5 0 0k h z 1 6 通道数字输入，同步于a d 1 6 通道数字输出，同步于d a 2 计数器定时器( 3 2 位) ，同步于a d 3 通道积分译码器，可检查x y 位置和角度测量 可根据需要延长u s b 线 协p c f i s a 数据采集的d t 3 0 1 0 d t 3 0 3 4 系列 p c f i s a 卡数据采集的d t 3 0 1 0 d t 3 0 3 4 系列，是基于高性能、高分辨率、多功能的 数据采集卡。性能如下： 。3 2 单通道1 6 双通道模拟信号输入 高达1 2 5 m h z 的采样率 1 2 位1 6 位分辨率 2 路模拟输出，每通道高达5 0 0 k h z 1 6 个i o 口，同步模拟输入 4 个1 6 位的计数器定时器 具有时钟、外部触发方式 3 台湾研华科技股份有限公司【8 1 拥有超过2 0 年的p l u g - i ni o 设计和制造经验，研华已经成为全球性的领导厂商，提 供着全方位的工业d a & c 产品。在提供丰富的终端模块和软件支持的基础上，研华为 工业需求提供了高速度，高质量，低成本的产品。研华的p l u g - i ni o 解决方案可以满足 您通用机械自动化应用方面的所有需求，它同时支持定位控制和速度控制。 p c i 总线数据采集与控制卡包含：p c i 总线多功能卡，p c i 总线模拟量输入卡，p c i 总线模拟量输出卡，p c i 总线非隔离数字量f o 卡，p c i 总线隔离数字量f o 卡等。 p c i 总线多功能卡： 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 p c i 1 7 1 0 ：1 0 0 k s s 。1 2 位高增益，p c i 总线数据采集卡 p c i 一1 7 1 0 h g ：1 0 0 k s s 1 2 位高增益多功能数据采集卡 p c i 1 7 1 1 ：1 0 0 k s s ，1 2 位1 6 路单端输入低成本多功能数据采集卡 p c i - 1 7 1 2 ：1 m s s ，1 2 位高速多功能数据采集卡 p c i 1 7 1 6 ：2 5 0k s s ，1 6 位，1 6 路高分辨率多功能数据采集卡 图1 - 4 p c b l 7 1 1 1 7 1 1 l 型数据采集卡 f i g 1 - 4d a t aa c q u i s i t i o nc a r do f p c i 一1 7 1 1 1 7 1 1 l p c i - 1 7 1 1 p c i 1 7 1 1 l 是一款功能强大的低成本多功能p c i 总线数据采集卡，如图l - 4 所示。p c b l 7 1 1 有2 路模拟量输出通道，p c p l 7 1 1 没有模拟量输出通道。用户可以在 p c b l 7 1 1 和p c i - 1 7 1 1 l 之间选择能够满足实际需要而又节约成本的数据采集卡。 p c i - 1 7 1 l ，p c i 1 7 1 1 l 的主要特点： 1 2 位的a d 转换器，采样速度可达1 0 0 k h z 1 6 路单端模拟量输入 卡上1 k 采样f i f o 缓冲区 每个输入通道的增益可编程 自动通道增益扫描 2 路1 2 位的模拟量输出( 仅p c f l 7 1 1 ) 1 6 路数字量输入及1 6 路数字量输出 可编程触发器定时器 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 技术指标和要求 2 肛l o o n s2 0 - - 1 0 0 n s 图1 5 高速窄脉冲波形图 f i g 1 - 5 t h e w a v e f i g u r e o f t h e h i g h - s p e e d n a l t o w i m p u l s e 高速窄脉冲波形图如图1 5 所示，其中t a 表示数据采集时间，t d 表示等待时间， 在t d 时间内系统处于待触发状态。每一个窄脉冲的脉宽为2 0 n s 1 0 0 n s ，相邻两个脉冲 时间间隔为1 0 u s ，即脉冲重频为1 0 0 k h z 。 ：! ! 本数据采集系统的技术指标如下：、， 1 记录通道：6 个高速通道 ： 2 采样频率：2 0 0 m h z c h ，每通道分别可记录重频1 0 0 k h z ，脉宽2 0 1 0 0 n s 的脉冲波 形( 记录脉冲波形及其对应的时间，时间分辨率1 0 n s ) 3 记录时间： 1 0 秒 4 带宽：5 0 m h z 5 触发方式：外部触发 6 触发电平；兰+ 2 4 v ，脉宽 1 0 m s 7 供电：内置可充电锂电池供电，易于更换 8 读数接口：u s b 2 0 接口与笔记本电脑连接 9 数据处理平台：数据采集系统记录的数据通过数据端口读入计算机进行处理和统计 分析。具有w i n d o w s 操作风格的人机友好界面，应用软件由c 语言或v b 、v c 等 开发环境编制，使用方便、冗错力强、可移植性强。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 课题的主要内容 本课题的主要研究内容是采集6 路高速窄脉冲信号，要求每一通道是2 0 0 m h z 的采 样频率，采样结果按一定的格式存储起来，并上传到计算机实现数据分析和处理。数据 处理软件人机界面简单、友好，具有w i n d o w s 操作系统风格。 论文撰写分7 章，安排如下： 第一章：主要介绍课题的背景，数据采集系统的研究现状和发展趋势，本数据采集系统 的技术指标和要求，以及课题的主要研究内容。 第二章：简要介绍数据采集系统的概述、应用和数据采集的一些基本理论。 第三章：进行数据采集系统的总体方案设计，包含硬件总体方案和软件总体方案。 第四章：对数据采集系统的硬件电路，逐一的介绍他们的设计方法，器件选择，参数计 算等。 第五章：详细介绍f p g a 时序电路的设计，给出各个电路的原理图和对应的仿真图，某 些电路模块用v h d l 编写，也给出具体的程序和相关的注解。 第六章：着重介绍单片机编程和数据处理软件的编写。 第七章：将系统硬件和系统软件结合起来，进行联机调试，给出了调试结果。 论文最后，对整个系统进行了讨论和总结，并提出了一些改进建议。 在整个项目研究过程中，笔者负责f p g a 内部时序电路的设计和数据处理软件的编 写工作。系统的其它部分，如硬件电路的设计，单片机程序等，则由同组的其它设计人 员完成。 1 5 小结 本章简要介绍了本论文课题的来源和当前国内外数据采集的研究状况，列举了现今 市面上主要的几种数据采集装置，并对比了它们各自的特点，给出了本系统要求的技术 指标，最后在前面的基础上，确定了论文的研究内容和论文撰写安排。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章数据采集的基本理论 2 1 数据采集的概述 数据采集技术是信息科学的一个重要分支，在雷达、通讯、核能、遥感、地质勘测 中有着极为广泛的应用。数据采集记录系统的重要技术指标包括该系统的数据传输速率 和记录容量。不同的场合，对这两个指标有不同的要求。在一些数据传输速率较高，但 数据量较小的场合，可以采用r a m 等高速器件，实现单通道高达数兆b i t s 至数十兆b i t s 的数据传输率。如果对数据传输率要求不高，而数据量较大，可以采用大容量磁带机， 完成1 0 个g b 级数据的无丢失记录嘲。 数据采集系统d a s ( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) 是模拟量与数字量之间的转换接 口。它在自动测试、生产控制、通信、信号处理等领域占有极其重要的地位。而高速数 据采集系统更是航天、雷达、制导、测控、动态检测等高技术领域的关键技术：+ 高速数 据采集系统中的采样频率一般在几十m h z 到几百m h z , 而微机系统由于操作速度的限 制，不能够直接参与数据传输。为此，在高速数据采集系统的设计中提出了在高速a d 转换器与微机之间采用缓存器作为缓冲存储，如图2 - 1 所示。当模拟信号经高速a d 转 换器数字化后，先直接送缓存区暂存，然后存储的数据再送至微机进行相关的处理、运 算。其中缓存区是以高速方式接收从a d 转换数字化的数据，而又以相对低速的方式将 数据送给计算机。用它的“快进慢出”来解决高速a d 转换与低速计算机数据传输之间 的矛盾【1 0 】。 信号数据数据 地址地址 图2 - i 高速数据采集系统框图 f i g 2 - 1t h eb l o c kd i a g r a mo f h i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 多通道数据采集系统对可靠性、稳定性、实时性有很高的要求。它是以前端模拟信 号处理、数字化、数据通讯处理和计算机等高科技为基础而形成的一门综合技术，是联 系模拟世界与计算机之间的桥梁。多通道数据采集系统通过传感器把物理量转化成电信 号，经过放大滤波等模拟信号的处理后，由a d 转换将模拟信号数字化，将其转化为数 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 字信号，在经过必要的数字信号处理，最后经过接口电路传送给计算机。随着数字系统 设计的不断发展，采用了f p g a 以缓解器件数量过多、印制板面积过大以及因此引起的 稳定性和可靠性较差的问题，为多通道数据采集系统的研究工作奠定了良好的基础【1 1 1 。 2 2 数据采集的应用 在绝大多数利用计算机进行的控制和数据分析场合中，都离不开对模拟信号的采集。 工业现场的复杂性决定模拟信号性质的多样化。因此，根据具体工程要求的不同，对测 量的技术要求也不尽相同。就采样速度来说，有的是变化缓慢的信号( 比如炉温的温度) ， 对其进行采样时可以选用普通采样速率的模数转换器；有的又是瞬间变化的模拟信号， 比如机械振动过程中的压力或电路系统开关瞬间对线路上的电流的影响，采样时就必需 采用采样速率较高的模数转换电路。其次，对采样的精度的要求有区别，大部分的普通 仪表只需8 位精度即可满足测量要求，而在一些精密控制和数据分析的场合中，又必需 采用1 4 位、1 6 位、1 8 位甚至更高位数分辨率来进行采样。另外，很多情况下，需要采 样的信号有多路，比如设计一个异步电动机的软启动器，就需要考虑采样定子电压、定 子电流及电机机壳温度等几路信号。不仅如此，在大多数测量对象比较复杂或进行高精 度控制的情况下，一般都会对采样的精度、速度、通道数等技术指标同时提出很高的要 求，比如在一些电气设备的故障诊断中，除了要求采样具有很高的速度和精度外，还需 要能对多个通道的输入信号采集并且是同步进行采集 1 2 - 1 3 1 。 一个由模数转换电路和计算机组成的典型的多路数据采集系统的结构，如图2 - 2 所 示。各路经隔离、放大、滤波处理后的模拟量，送入到模数转换电路中，由计算机对模 数转换电路的实现控制及读取转换结果，然后利用c p u 的数学处理性能进行处理或分 析 模拟信号i n 0 模拟信号i n n 图2 2 多路数据采集机构框图 f i g 2 - 2t h eb l o c kd i a g r a mo f m u l t i p l e , - e h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o n 在该多路数据测量系统中，对多路输入信号进行采样的模数转换电路，可以用如图 2 3 所示的几种方式实现。总体上说，转换电路部分由采样保持器( s i - i ) 、多路选择开 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 关( m u x ) 、模数转换器( a d c ) 及控制电路等几部分组成。 第一种( 图2 - 3 a ) 为各个信号首先进入通道切换开关m u x ，在m u x 输出处共用 一个采样保持器和模数转换器。 图2 3 a 多输入的模数转换电路方式1 f i g 2 - 3 at h ef i r s tm o d eo f t h ea n a l o g - d i g i t a lc i r c u i tf o rm u l t i p l ei n p u t 第二种( 图2 - 3 b ) 是各路信号各自输入到独立的采样保持器s h ，然后到多路开关 m u x ，共用一个模数转换器a d c 。 叫采样保持r _ + 刊群雠p 多路模拟开关 一一黼路f - j 采样保持l - 。 + 1 逻辑控制器l 图2 - 3 b 多输入的模数转换电路方式2 f i g 2 - 3 b t h es e c o n d m o d e o f t h e n a n a l o g - d i g i t a lc i r c u i t f o r m u l t i p l e i n p u t 第三种( 图2 - 3 c ) 是每个通道采用独立的采样保持器和a d c 。这几种结构的电路可 以分别采用专用采样保持器、多路开关和a d 转换器件进行设计，也可以采用专用多通 道模数集成器件来完成( 对于输入路数不太多的情况，市场上都有成形的集成电路芯片) 1 4 l 。 臣堕) 1 至至于册一 臣至 - + 堕至寸一一“ 1 图2 - 3 c 多输入的模数转换电路方式3 f i g 2 - 3 ct h et h i r dm o d eo f t h ea n a l o g - d i g i t a lc i u i tf o rm u l t i p l ei n p u t 在性能和价格方面，第一种结构由于它的采样保持电路是公用的，所以不能对多路 太原理工大学硕士研究生学位论文 输入同时进行采样，只能事先通过控制电路选择好某一通道然后由同一个a d 转换器进 行转换，进行多个通道转换时耗时较长，无法实现同步采样，可以用于多路低速系统( 如 温度、湿度) 的采样中，而且其成本很低。第二种由于各个采样保持器是独立的，可以 在某个时刻将各输入信号同时保持住，然后依次送入a d 转换器进行转换，实现对多个 信号的同步采集。如果a d c 的速度足够快，就可以满足大多数控制场合的采样速度要 求。虽然高速的a d c 价格很贵，但在该电路中是多通道共用的，因此整体成本并不很 高。第三种结构中，各通道单独占用单独的采样保持电路和a d c ，可以很好的完成多 个信号的同步和高速采集，但其成本较高，在一般场合中较少采用。 在需要同时满足高速度高精度及多路信号同步采样要求的应用中，图2 3 b 是使用较 多的方案。数据采集系统的微机控制部分，根据性能和成本要求的不同，通常有单片机、 数字信号处理器或者是工控p c 机来担任。在嵌入式应用