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基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

2018年07月03日 09:01 次阅读

1 背景知识

随着信息技术的发展,特别是各种数字处理器处理速度的提高,人们对数据采集系统的要求越来越高,特别是在一些需要在极短时间内完成大量数据采集的场合,对数据采集系统的速度提出了非常高的要求。

为了实现高速、连续采样的数据采集系统,本文介绍了一种基于 FPGA +AD7609的数据采集系统的构成及技术实现。采用 FPGA 作为主模块,AD7609为数据采集模块,并设计了硬件实现电路。

实验测试结果表明,系统结构灵活,性价比高,数据采集能力强,各项指标均达到了设计要求,具有广泛的实用性。

2 数据采集系统的实现

2.1 系统硬件设计

2.1.1 主控模块FPGA

在本设计中,FPGA主控模块使用Xilinx公司的Spartan-6产品,型号为XC6SLX9-2FTG256C。设计中使用了该系列的黑金FPGA开发板,有效地提高了开发设计进度。开发板系统结构图如下图1所示。

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

图 1 开发板系统结构图

FPGA模块为整个系统的核心控制部分,使用硬件描述语言Verilog HDL对FPGA进行程序设计,以实现系统的整体功能要求。

2.1.2 数据采集模块AD7609

AD7609是一款18位、8通道、真差分、同步采样模数数据采集系统(DAS),该器件内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、18位电荷再分配逐次逼近型模数转换器(ADC)、灵活的数字滤波器、2.5 V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。其功能框图如图2所示。

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

图 2 AD7609功能框图

AD7609采用5 V单电源供电,可以处理±10 V和±5 V真双极性差分输入信号,同时所有通道均能以高达200kSPS的吞吐速率采样。

在此次设计中,将AD的工作方式设置为串行数据采集模式,采样率设为最高速率200kSPS,参考电压为内部基准模式,设计的电路原理图如下图3所示。

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

图 3 AD7609原理图设计

AD7609的控制端口,连接到FPGA控制模块,通过Verilog程序进行数据的采集和控制。

2.1.3 硬件电路的实现

本设计中,使用Cadence软件设计了AD采集电路,进行了实物焊接和验证。其印制板PCB电路图如下图4所示。

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

图 4 印制板PCB电路图

焊接完成,并调试成功的实物图如下图5所示。

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

图 5 前端实物电路图

其中AD7609的控制引脚,通过排线与FPGA的IO口连接,被采集信号,从右边的CH1和2端口输入。

2.2 系统程序设计

2.2.1 程序流程设计

本设计中,将AD7609的工作方式配置为串行模式,采样率200kSPS,对应的串行模式采样时序如下图6所示。

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

图 6 串行模式的采样时序图

通过FPGA设计AD采集转换程序,根据AD7609采样要求与工作特性,设计了如下图7所示的AD采样流程图。

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

图 7 AD7609采样流程图

2.2.2 AD7609程序设计

AD7609能同时满足8通道的200kSPS采样,在本设计中,对通道CH1和CH2进行程序控制和设计。模块接口源程序如下图所示。

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

图 8 AD7609模块接口程序

AD7609采集控制流程源程序如下图9所示。

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

图 9 AD7609采集控制流程程序

综合该模块后的RTL电路图如下图10所示。

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

图 10 AD7609模块的RTL图

2.2.3 仿真验证

采用ISE14.7内部的仿真软件进行仿真验证,核心测试源程序如下图11所示。

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

图 11 仿真测试源程序

对用的仿真结果如下图12所示,可见完整地实现了对AD7609的功能控制。

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

图 12 程序仿真验证结果

2.2.4 实测验证

首先在工作区中配置ChipScope在线调试软件,添加需要观测的数据。然后,通过该调试软件,将程序下载到主控模块的FPGA中。

使用ChipScope在线调试软件抓取实时数据,验证硬件模块的正确性,得到如下图13所示的AD7609数据采样结果。

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

图 13 实物数据采样结果

本设计中,AD7609的数值转换的计算公式如下图14所示。

基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现和设计

图 14 AD7609数值转换公式

对应图13中的数据计算过程为:(6Af6)H = (27382)D,采样得到的数值V=27382*10/131072 = 2.08908V,与实际输入电压一致。

3 结语

经过实验测试和计算,充分验证了本系统设计的合理性和有效性。实验数据表明,该数据采集系统运行稳定可靠,实现了对高速数据的连续采样。

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发表于 2018-06-18 19:24 872次阅读
FPGA学习系列:18. 数码管的设计

FPGA学习系列:19. rom到数码管显示设计

设计背景: rom是读写的的静态存储单元,在我们的设计中我们会经常用到,数码管模块同样的大大小小的设...

发表于 2018-06-18 19:24 740次阅读
FPGA学习系列:19. rom到数码管显示设计

FPGA学习系列:20. ram控制器的设计(调...

设计背景: 随机存取存储器 (random access memory,RAM)又称作随机存储器,是...

发表于 2018-06-18 19:24 960次阅读
FPGA学习系列:20. ram控制器的设计(调...

FPGA成为数据中心发展的趋势及重要性

用AI防鲨鱼、用AI学写中国书法、用AI预测人类死亡时间、用AI审判罪犯……在人工智能方兴未艾的今天...

发表于 2018-06-18 07:16 628次阅读
FPGA成为数据中心发展的趋势及重要性

这种可编程衰减器最高可支持8×8输入输出的矩阵结...

可编程衰减器位于基站和终端之间,通过对射频信号的衰减控制,实现对无线信号的模拟,从而实现对测试场景的...

发表于 2018-06-17 14:02 87次阅读
这种可编程衰减器最高可支持8×8输入输出的矩阵结...

你一定想知道FPGA的那些事...

作者:张泽小脚丫STEP 导读:FPGA(Field Programmable Gate Array...

发表于 2018-06-14 13:35 376次阅读
你一定想知道FPGA的那些事...

利用FPGA的可编程性和Java平台良好的移植性...

传统的嵌入式系统设计的主要目标是找到一种优化的体系结构来完成单一的,特定的功能。对这样的系统来说,A...

发表于 2018-06-14 09:16 92次阅读
利用FPGA的可编程性和Java平台良好的移植性...

用FPGA来实现控制电阻的提供的设计过程

本文介绍了用FPGA来实现控制电阻的提供,用软件的方式来设计硬件,设计过程中可用有关软件进行各种仿真...

发表于 2018-06-14 09:06 104次阅读
用FPGA来实现控制电阻的提供的设计过程

一种基于fpga的多轴控制器,可以控制多轴电机的...

介绍了一种基于fpga的多轴控制器,控制器主要由arm7(LPC2214)和fpga(EP2C5T1...

发表于 2018-06-14 08:24 106次阅读
一种基于fpga的多轴控制器,可以控制多轴电机的...

为应用选择最佳可编程SoC时进行的六个设计考虑

SoC FPGA器件在一个器件中同时集成了处理器和FPGA体系结构。将两种技术合并起来具有很多优点,...

发表于 2018-06-13 14:59 192次阅读
为应用选择最佳可编程SoC时进行的六个设计考虑

FPGA学习系列:13. 任意分频器设计

设计背景: 分频在 fpga的设计中一直都担任着很重要的角色,而说到分频,我相信很多人都已经想到了利...

发表于 2018-06-13 11:21 763次阅读
FPGA学习系列:13. 任意分频器设计

FPGA学习系列:14. 锁相环pll设计

设计背景: 在我们设计工程中我们会用到100M,500M等时钟,如果我们的晶振达不到我们就需要倍频,...

发表于 2018-06-13 11:21 983次阅读
FPGA学习系列:14. 锁相环pll设计

FPGA学习系列:15. 呼吸灯(pwm)设计

设计背景: 呼吸灯 广泛应用于手机之上,并成为各大品牌新款手机的卖点之一。如果手机里面有未处理的通知...

发表于 2018-06-13 11:21 1166次阅读
FPGA学习系列:15. 呼吸灯(pwm)设计

FPGA学习系列:16. rom控制器设计

设计背景: ROM是只读存储器(Read-Only Memory)的简称,是一种只能读出事先所存数据...

发表于 2018-06-13 11:21 624次阅读
FPGA学习系列:16. rom控制器设计

补充: FPGA产生基于LFSR的伪随机数

大家好,又到了每日学习的时间了,上一篇《荐读:基于FPGA 的CRC校验码生成器》文中,提到了要实现...

发表于 2018-06-13 11:21 687次阅读
补充: FPGA产生基于LFSR的伪随机数

FPGA学习系列:12. 边沿检测设计

设计背景: 在我们工程设计中,有时会需要到上升沿和下降沿这么一个说法,通过上升沿和下降沿来驱动一个电...

发表于 2018-06-13 11:20 556次阅读
FPGA学习系列:12. 边沿检测设计

荐读:基于FPGA 的CRC校验码生成器

大家好,又到了每日学习的时间了,今天我们来聊一聊基于FPGA 的CRC校验码生成器。下面咱们就来具体...

发表于 2018-06-13 11:18 637次阅读
荐读:基于FPGA 的CRC校验码生成器

Web Installer提供的各种特性及设计方...

你有没有注意到在Netflix流媒体视频播放时,有时候视频模糊,然后很快恢复到高质量? 你知道Net...

发表于 2018-06-13 09:19 619次阅读
Web Installer提供的各种特性及设计方...

Web Installer介绍和提供的各种特性以...

你有没有注意到在Netflix流媒体视频播放时,有时候视频模糊,然后很快恢复到高质量? 你知道Net...

发表于 2018-06-12 19:44 803次阅读
Web Installer介绍和提供的各种特性以...

FPGA定点小数的常规格式、相对于浮点小数的优势...

所谓定点小数,就是小数点固定地隐含在某一位置上的数据。由于小数点的位置是固定的,所以就没有必要储存它...

发表于 2018-06-12 19:34 573次阅读
FPGA定点小数的常规格式、相对于浮点小数的优势...

如何在SDK系统中添加新的目标配置

赛灵思SDK允许您使用远程主机中的赛灵思硬件服务器来调试远程目标设备.....

发表于 2018-06-12 09:11 824次阅读
如何在SDK系统中添加新的目标配置

如何使用 Nios II 处理器进行你中意的设计...

使用 Nios II 处理器进行设计”第二部分

发表于 2018-06-11 14:36 652次阅读
如何使用 Nios II 处理器进行你中意的设计...