基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　1.引言

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通常采用MCU或DSP作為控制模塊，來(lái)控制A/D,存儲(chǔ)器和其他一些外圍電路。這種方法編程簡(jiǎn)單，控制靈活，但缺點(diǎn)是控制周期長(zhǎng)，速度慢。特別是當(dāng)A/D本身的采樣速度比較快時(shí)，MCU的慢速極大地限制了A/D高速性能的使用。MCU的時(shí)鐘頻率較低并且用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，軟件運(yùn)行時(shí)間在整個(gè)采樣時(shí)間中占的比例很大，使得采樣速率較低。

　　隨著數(shù)據(jù)采集對(duì)速度性能的要求越來(lái)越來(lái)高，傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)的弊端越來(lái)越明顯。本設(shè)計(jì)采用FPGA,各模塊設(shè)計(jì)使用VHDL語(yǔ)言，其各進(jìn)程間是并行的關(guān)系。它有MCU無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。FPGA的時(shí)鐘頻率高，全部控制邏輯由硬件完成，實(shí)現(xiàn)了硬件采樣，速度快。

　　2.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用FPGA+MCU的結(jié)構(gòu)，主控邏輯模塊用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)中對(duì)A/D器件進(jìn)行采樣控制，起到連接采樣電路和MCU的橋梁作用，數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程通信及液晶顯示控制等由MCU來(lái)完成。FPGA把傳統(tǒng)的純粹以單片機(jī)軟件操作形式的數(shù)據(jù)采集變成硬件采集。

　　首先用VHDL語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)，用MCU來(lái)啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)，使其控制A/D器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FPGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩存區(qū)FIFO中。當(dāng)FIFO存儲(chǔ)已滿時(shí)，狀態(tài)機(jī)控制FIFO停止數(shù)據(jù)寫(xiě)入，并通知單片機(jī)取走采集數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步處理。這種設(shè)計(jì)思想大大減輕了單片機(jī)的軟件運(yùn)行時(shí)間，提高了采集速率。這里，把6路模擬信號(hào)采集任務(wù)作為快任務(wù)，把用于系統(tǒng)自檢的6路檢測(cè)量信號(hào)作為慢任務(wù)。為了使快任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于慢任務(wù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)狀態(tài)機(jī)分別實(shí)現(xiàn)快任務(wù)和慢任務(wù)的數(shù)據(jù)采集，并由單片機(jī)生成PWM波，分別控制兩個(gè)狀態(tài)機(jī)。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示：

　　3.系統(tǒng)主要器件的選擇

　　3.1 FPGA芯片選型及依據(jù)

　　FPGA實(shí)現(xiàn)主控邏輯控制，要求響應(yīng)速度快，效率高?？刹捎肁LTERA公司的ACEX1K系列EP1K5O芯片，最高工作頻率可達(dá)250MHz.

　　該系列芯片的特點(diǎn)是將LUT（查找表）和EAB（嵌入式陣列）相結(jié)合，提供了效率最高而又廉價(jià)的結(jié)構(gòu)?；贚UT的邏輯對(duì)數(shù)據(jù)路徑管理、寄存器強(qiáng)度、數(shù)學(xué)計(jì)算或數(shù)字信號(hào)處理的設(shè)計(jì)提供優(yōu)化的性能和效率，而EBA可實(shí)現(xiàn)RAM（隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器）、ROM（只讀存儲(chǔ)器）、雙口RAM或FIFO（先人先出存儲(chǔ)器）功能，使得ACEX1K適合復(fù)雜邏輯以及有存儲(chǔ)、緩沖功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　3.2 ADC芯片選型及依據(jù)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入信號(hào)多數(shù)都來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)傳感器的輸出信號(hào)，傳感器種類(lèi)不一，致使信號(hào)特性也不同，各通道信號(hào)的幅度與頻率范圍有很大的不同，高精度的、大動(dòng)態(tài)范圍的A/D轉(zhuǎn)換芯片使設(shè)計(jì)更能滿足測(cè)量的需要。本設(shè)計(jì)中A/D轉(zhuǎn)換模塊選用的AD574A是美國(guó)模擬數(shù)字公司（Analog）推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率：25us,內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器。

　　4.FPGA方案設(shè)計(jì)

　　4.1 設(shè)計(jì)思想

　　用VHDL語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)兩個(gè)狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)1來(lái)控制A/D實(shí)現(xiàn)快任務(wù)的采集，狀態(tài)機(jī)2來(lái)完成慢任務(wù)采集。兩個(gè)狀態(tài)機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)CLK（高電平有效）均來(lái)自單片機(jī)生成的PWM波，狀態(tài)機(jī)1直接由單片機(jī)控制，狀態(tài)機(jī)2則是由單片機(jī)經(jīng)反向器來(lái)控制。首先置P1.0口為高電平，并用定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生中斷，使P1.0口產(chǎn)生PWM波。當(dāng)P1.0口為高電平時(shí)啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)1,此時(shí)狀態(tài)機(jī)2不動(dòng)作；當(dāng)快任務(wù)采樣完成后，由定時(shí)器產(chǎn)生中斷，將P1.0口置為低電平，此時(shí)狀態(tài)機(jī)2動(dòng)作，來(lái)完成慢任務(wù)采集。下一個(gè)周期完成同樣的操作。對(duì)應(yīng)快任務(wù)的采集數(shù)據(jù)緩存在快任務(wù)FIFO,慢任務(wù)的采集數(shù)據(jù)緩存在慢任務(wù)FIFO里，單片機(jī)讀對(duì)應(yīng)的FIFO數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)處理。

　　4.2 各模塊的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)以上的設(shè)計(jì)思想，F(xiàn)PGA系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)模塊主要有狀態(tài)機(jī)模塊，F(xiàn)IFO設(shè)計(jì)模塊[4-5].

　　下面具體給出硬件原理設(shè)計(jì)。

　　4.2.1 狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)

　　該設(shè)計(jì)過(guò)程主要是建立采集所需要的硬件電路，等待時(shí)鐘信號(hào)的到來(lái)便立刻啟動(dòng)A/D進(jìn)行工作。了解了AD574A的工作時(shí)序，就可以寫(xiě)出狀態(tài)機(jī)的采樣控制狀態(tài)?？刂茽顟B(tài)編碼表如表1所示。