如何使用FPGA进行数据采集系统电路设计？工作原理和设计过程详细分析

　　本文介绍了基于FPGA的数据采集系统电路的工作原理和设计过程。根据数据采集技术原理，以Altera公司的EP2C8Q208C8N芯片为核心器件，通过ADC0809采集数据，并用DAC0832输出数据，在Quartus II平台上，通过VHDL语言编程完成数据采集系统电路的软件设计、编译、调试、仿真和下载，再与外围硬件电路相结合调试，最终设计出数据采集系统电路。

　　随着数字系统的发展，广泛应用于各种学科领域及日常生活，微型计算机就是一个典型的数学系统。但是它只能对输入的数字信号进行处理，其输出信号也是数字信号。而在工业检测控制和生活中的许多物理量都是连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等，这些模拟量可以通过传感器或换能器变成与之对应的电压、电流或频率等电模拟量。为了实现数字系统对这些电模拟量进行检测、运算和控制，就需要一个模拟量与数字量之间的相互转换的过程。即常常需要将模拟量转换成数字量，简称为AD转换，完成这种转换的电路称为模数转换器，简称ADC。

　　EDA，即电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写。它融合了大规模集成电路制造急速、ASIC测试和封装技术、FPGA/CPLD编程下载技术、自动测试技术、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）设计的设计概念，为现代电子理论和设计的实现和发展提供了可能性［1］。

　　EDA技术是一种综合性学科，打破了软件和硬件见的壁垒，把计算机的软件技术与硬件技术、设计效率和产品性能结合在一起，它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向。

　　EDA技术一般包括以下内容：1.大规模可编程逻辑器件；2.硬件描述语言；3.软件开发工具；4.实验开发系统［2］。

　　FPGA，即现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array）的缩写。它是一种集成度较高的器件，属于复杂PLD。

　　FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点，在产品研发和开发中具有很大的优势。用FPGA做一些协议实现和逻辑控制，如果协议理解错误或者逻辑需要更改，不需要动PCB。另外，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。本设计用的是Altera公司的EP2C8Q208C8N芯片，里面有68416个逻辑单元，并提供了622个可用的输入/输出引脚和1.1M比特的嵌入式寄存器。它提高了百分之六十的性能和降低了一半的功耗，而低成本和优化特征使它为各种各样的汽车、消费、通讯、视频处理、测试与测量、和其他最终市场提供理想的解决方案［3］。

　　诞生于1983年的VHDL，是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language的简称，1987年底，VHDL被作为“IEEE标准1076”发布。

　　VHDL不仅可以作为系统模拟的建模工具，而且可以作为电路系统的设计工具，能通过Quartus II把VHDL源码自动转化为基本逻辑元件连接图，这极大的推进了电路自动设计［4］。

　　VHDL能从多个层次对数字系统进行建模和描述，所以大大简化了电路设计的任务，提高了设计效率。

　　由Altera提供的FPGA开发集成环境―Quartus II，因为其运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点，迅速占领了市场［5］。

　　Quartus II支持VHDL、Verilog的设计流程，提供了完整的多平台设计环境，能满足各种特定设计的需要，同时，它还具备仿真功能，因此给系统的软硬件设计和调试带来了很大的便利。

　　系统利用FPGA直接控制ADC0809对模拟信号进行采样，将转换好的8位二进制数据存储到存储器中，在完成对模拟信号一个或数个周期的采样后，通过DAC0832的输出端将数据读取出来。