电竞作品基于SOPC的高精度多路数据采集系统.doc

杯陕西省电子设计专题竞赛电竞作品基于SOPC的高精度多路数据采集系统Industrial Field High Accuracy Multi-Channel Data Acquisition SystemBased on SOPC（陕西科技大学指导老师：张震强学生：易长文 邓亚明曾志强）摘要：本作品应用SOPC技术来完成在工业现场高精度数据的采集。采用通用输入端子，实现了多通道多信号输入、高精度的数据采集。用户可以自由选择输入信号，具有克服温度漂移的自校准、手动校准、键盘输入、液晶显示和标准的RS232串口通讯的功能。在本设计中结合FPGA的特点与V/F转换器配合使用，实现高于16位分辨率的ADC转换功能。V/F转换器相当于一个双积分A/D转换器，抗工频干扰能力强。信号调理电路采用增益可调的仪表放大器，提高了共模抑制比。由于合理使用了ALTERA DE2板的资源，使外围硬件电路的结构更加简单，系统稳定性好，运行可靠。关键词：SOPC 高精度 多通道 数据采集 自校准 串口通讯ABSTRACT: High-accuracy data collection system is implemented Based on the SOPC Technology, which can achieve multi-channel signal via common input port. Input signal can be selected by users as their wish. can overcome Temperature Drift can be overcome by auto adjustment or manual adjustment via keyboard input in system. Data display and transport via RS-232 Serial Port to computer. System achieve higher than 16 bits Resolution A/D Convertion due to the resistance of Industrial Frequency disturbance in V/F Convertor. And Signal amplifying circuit enhances the CMRR (Common Mode Rejection Ratio) via Programmable-gain instrumentation amplifier. Thanks to resources in the Altera DE2 Board, system is running stable and reliable with simpler external circuit. KEYWORDS: SOPC ，High Accuracy ，Multi-Channel，Data Acquisition Auto-Adjustment ， Serial Communication一、选题意义数据采集系统广泛应用于多个领域，比如医药、化工、食品等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数，因此，数据采集是工业测控中至关重要的一环。本系统采用SOPC技术针对工业控制中的过程量420mA的变送器信号、05V的电压信号、-200850的PT100的温度测量、频率1MHZ的变送器的脉冲信号的采集、数据传送进行设计。利用Altera公司DE2开发板与外部配置接口电路实现多路高精度数据采集。通过DE2板上标准的RS232通讯接口与上位机连接，实现将现场采集数据上传和监控管理，使监控人员直接在监控机房通过上位机观察现场的数据并采取相应措施实现对现场设备的控制，从而使现场的仪器设备能够正常运行。通过RS232/485转换接口，还可实现远程数据传送和远程监控。本系统设计的输入信号接口电路为通用接口，用户可以自由选用外挂变送器设备，使用更加灵活方便。如果用传统方法设计多路数据电路，完成键盘设置、液晶显示、通讯等功能，则需要大量的外围硬件电路实现。采用Altera公司的DE2开发板，可以充分利用板上资源实现上述功能，大大简化了硬件电路设计。本设计以采集16路工业现场信号作为设计目标。如果充分利用板上资源，还可实现更多通道的数据采集。这样的电路可以被应用到分布型综合控制系统中。二、方案选定数字16 路信号输入信号NIOS II串口通讯VHDL硬 件 电 路键盘输入LCD显示输 入接口电路FPGARS232口上位机DE2板系统框图如图1所示。各部分功能分述如下：图1 系统框图116路信号输入16路信号输入电路由接线端子组成，分别可接工业现场的8路电流信号、3路电压信号、3路Pt100的温度信号和2路脉冲信号。2输入接口电路输入接口电路的框图如图2所示。该部分电路完成对输入信号的调理和实现A/D转换功能。其中对频率信号的采样，采用光电耦合和整形电路实现现场信号与系统的电气隔离和电平转换功能，既能保护DE2板上元件的安全，又能实现电平转换使输入的频率信号幅值能满足FPGA元件对输入电平的要求。对于输入电压、输入电流和Pt100的电阻信号，首先将其转换为电压信号，再通过增益可调的测量放大器和V/F转换，将其转化为频率信号，进入FPGA内部计数电路，实现A/D转换。光电耦合及整形电路FPGA3路电压信号转换为电压信号程 控 测量放大器V/F 转换电路3路PT100信号8路电流信号2路频率信号基准电压 图2 输入接口电路为了克服输入电路由于温度漂移、时间漂移产生的测量误差，系统采用内部基准源自校正电路，定时进入自校准模式，重新确定标度变换斜率以减小系统测量误差。3FPGA内部电路本设计使用了ALTERA公司提供的NIOSII系统开发平台，该平台给提供了大量的模块。由该系统开发平台提供的NIOSII可以控制段显示、LCD、LED、各种PIO、以及RAM等，通过它还可以设置定时器，UART模块。 设计方框图如图3所示，通过系统结构图，利用SPOC BUILDER搭建和生成自己的系统。主CPU是由NIOS II构成，包括Flash和Ram控制器，通过三态AVALON桥和NIOSII CPU连接；由于采用V/F 类型A/D转换，因而通过PLL模块产生稳定的系统时钟频率和AD的工作频率；另外在系统中加入定时器来精确的定时25ms，让计数器来精确的计数，以提高系统A/D转换的精度；LCD模块用来即时显示采集的各个通道的数据，通过按键可以控制要显示的通道和系统参数的设定。最后通过UART把采集的数据传输到上位机储存以用来实现后期的数据分析。上位机Nios II处理器JTAG 下载接口定时器按钮开关 计数器Avalon 总线数据指令LEDS, LCD显示软件调试外部接口电路串行通信接口SDRAM通用I/O口图3 设计方框图4串口通讯 UART（即Universal Asynchronous Receiver Transmitter 通用异步收发器）是广泛使用的串行数据传输协议。UART允许在串行链路上进行全双工的通信。UART串行通讯帧格式如图4所示。 图4 UART帧格式包括线路空闲状态（idle，高电平）、起始位(start bit，低电平)、58位数据位(data bits)、校验位(parity bit，可选)和停止位(stop bit，位数可为1、1.5、2位)。 这种格式是由起始位和停止位来实现字符的同步。 UART内部一般有配置寄存器，可以配置数据位数（58位）、是否有校验位和校验的类型、停止位的位数（1，1.5，2）等设置。 UART主要有由数据总线接口、控制逻辑、波特率发生器、发送部分和接收部分等组成。Altera FPGA内UART核如图5所示。 图5 Altera FPGA内 UART 核UART核符合RS-232逻辑电平标准。它通过TXD和RXD端口发送和接收串行数据。但大部分Altera的 FPGA器件与RS-232电平标准不一致，如果直接用RS-232 连接头送来的信号来驱动则很可能会把FPGA烧坏。为此，通过在 FPGA I/O口和RS-232连接头之间加入3.3V工作电压的MAX232的电平转换芯片，如图6所示，实现了标准的RS-232逻辑电平转换。 图6 UART核 逻辑转换电路5系统控制及算法的实现用NIOS II来协调电路的各部分工作。算法上采取针对不同对象采取不同的算法来实现。即：（1）电压信号：为了保证精度采取分段线性化的方法。对不同段的数据采取不同的放大倍数。在本系统中采用5级放大的方法，如式U=K1C 1.25VU=5VK4C 320mVU=1.25VK16C 80mVU=320mVK64C 20mVU=80mVK128C 0U=300) checktime=0,check_enable=1; else checktime+; if(xunhuan_enable=1) if(xunhuantime=100) xunhuantime=0; shuaxin_enable=1; if(xunhuan_road=15) xunhuan_road=0; else xunhuan_road+; LCD_SHOW_CHANEL(xunhuan_road); shuaxintime=0; else xunhuantime+; else xunhuantime=0; if(shuaxintime=25&shuaxin_enable=1) shuaxintime=0;shuaxin(xunhuan_road); else shuaxintime+; IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(GATE_BASE,0); IOWR_ALTERA_AVALON_TIMER_CONTROL(HIGH_RES_TIMER_BASE,0x5); c)、控制算法设计流程图图25 控制算法设计流程图五、算法实现1通过算法流程图，在对A/D分段线性处理并放大后，采集的数据可以达到一个很好精度。为了减小干扰信号对数据采集带来的影响，除了在硬件电路上采用一定方法外，软件上加入数字滤波对采样数据进行处理，以提高采集数据的精度。 对于工业现场经常遇到的尖脉冲干扰信号，可采用去极值平均滤波，对m个数据比较，去掉最大值和最小值，再对m-2个数据取算术平均值。 将采集处理后的数据放在RAM中，原本想要使用DMA在RAM与UART之间进行数据传输，但是考虑到数据采集系统数据传输量不大，而且采集速度也较慢，最终放弃使用DMA，而直接使用NIOSII I/O读写程序来传输数据。2串行通讯下面时系统串行通信工作流程图。图 26为上位机接收数据程序流程图，图28为 NIOS II系统查询发送程序流程图。 图26 上位机接收数据程序流程图图27 NIOS II系统查询发送程序流程图六、测试方案及设备测试目的：验证输入电压、电流、频率和PT10的温度信号精度是否达标。测试现场温度：28。测试使用仪器及型号：61/2高精度数字万用表：Agilent 34401A；马来西亚Agilent；十进位电阻箱：型号：ZX38/10型；上海交流仪器厂；0.1级多路直流稳压稳流电源源：型号：MPS-3000L-3；深圳市麦创电子科技有限公司信号发生器：型号：MFG-8216B；深圳市麦创电子科技有限公司（1）输入电压的测试方案如图28，V可调稳压源系统图28 输入电压的测试原理 测试步骤：将可调稳压源的电压输出端接入系统的电压信号输入端； 调节可调稳压源的电压输出使电压由05V，并记录数据； 再反向调节可调稳压源的电压输出使电压由05V，并记录数据；表8 电压测量实验数据记录给定电压值（V）0.150.250.50.60.70.80.9LCD显示（V）0.1470.2510.4980.6020.7020.8030.904绝对误差（mV）3122234给定电压值（V）11.52344.55LCD显示（V）1.0011.5022.0013.0014.0024.5025.002绝对误差（mV）1211222（2 ）输入电流的测试方案 如图29所示。IIA可调电流源系统精密电阻250欧图29 输入电流的测试原理测试步骤：将可调电流源的电压输出端接入系统的电流信号输入端；调节可调电流源的电压输出使电流由420mA，并记录数据； 再反向调节可调电流源的电压输出电流由20mA0mA，并记录数据；表9 电流测量实验数据记录给定电流值（mA）44.555.566.57LCD显示值（mA）4.214.335.195.736.226.726.83绝对误差值（mA）0.210.170.190.230.220.220.17给定电流值（mA）10121415161820LCD显示值（mA）10.2111.8413.8515.2516.3118.219.78绝对误差值（mA）0.210.160.150.250.310.20.22VINVINI恒流源3.2mAIV高精度电阻箱系统 ( 3 )温度的测试方案如图30所示。图 30 PT100的测试原理由于实验条件的关系，对温度的测量，只能用0.1级电阻箱来模拟Pt100随温度变化时阻值的变化。再将电阻箱的阻值，用查分度表或公式计算的方法转换为相应的温度值，并认为该值为测量的实际值，将其与系统的LCD显示值对照。 测试步骤：将十进位电阻箱输出端接入系统的PT100信号输入端PTinput1； 调节十进位电阻箱输出使对应温度由-200850，并记录数据；再反向调节十进位电阻箱输出使温度由850-200，并记录数据；表10 温度测量实验数据记录给定电阻（欧）18.548.0076.33103.9130.9157.33183.19对应温度（）-200-130-601080150220LCD显示（）-202-129-621181149219绝对误差值（）2121111给定电阻（欧）212.05240.18280.98322.76350.11377.7390.48对应温度（）360380500570640710850LCD显示（）361381502569639708849绝对误差值（）1121121(4)频率信号的测量原理如图31，信号发生器系统示波器频率计图31 频率信号的测量原理测试步骤：将信号发生器频率输出端接入系统的频率信号输入端F1；调节信号发生器的频率输出使频率由01MHZ，并记录数据；再反向调节信号发生器频率输出使频率由1MHZ0HZ，并记录数据；表11 频率测量实验数据记录给定频率值（HZ）10015020040080016001700LCD显示（HZ）9115219740279816031703绝对误差值（HZ）9232233给定频率值（HZ）2000250030005000600065009000LCD显示（HZ）199250329975003600365969004绝对误差值（HZ）4333344七、测试数据及结果分析1.测试数据分析 （1）电压测量 由表8可见 （2）电流测量 由表9可见 （3）频率测量 由表10可见 （4）温度测量 由表11可见2. 测试结果本次设计的高精度多路数据采集系统能很好地实现对工业现场多通道高精度数据采集、DE2 板上液晶同步显示以及与上位机实时数据交换。由于系统合理地利用了DE2板载资源，同时采用抗工频干扰能力强的V/F转换，再加上内部基准源自校正电路，保证了系统准确、稳定、可靠的运行。参考文献1 潘松，黄继业，曾毓编著SOPC技术实用教程清华大学出版社，20052 潘松,黄继业编著EDA技术实用教程北京：科学工业出版社，20063 李晶蛟等编著液晶显示器的C语言程序设计北京：科学工业出版社，20053 陶时澍主编电器测量.哈尔滨工业大学，20044 林敏等著计算机控制