高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論文

時(shí)間：2024-08-13 09:41:01 其他類論文我要投稿

　　在電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)和微弱電信號(hào)測(cè)量中，需要對(duì)相關(guān)信號(hào)或微弱信號(hào)同步測(cè)量，以便分析信號(hào)間的相關(guān)信息得出正確的分析或控制策略。這些相關(guān)信號(hào)或是微弱電信號(hào)的分析處理，都需要大數(shù)據(jù)量的，并具有良好同步性的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為其服務(wù)。本文設(shè)計(jì)的雙通道高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用高精度ADC實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的高精度采集；運(yùn)用FPGA將同步采集后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SRAM中；采用USB2．0總線與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的傳輸；利用LabVIEW的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力較好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析。

高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論文

　　1系統(tǒng)整體方案

　　雙通道高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)成如圖1所示。該系統(tǒng)主要由以下各模塊組成：ADC信號(hào)采集模塊、FPGA控制模塊和LabVIEW上位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊。其基本工作原理為：FPGA通過(guò)高性能ADC同步采集控制，實(shí)現(xiàn)雙通道高速同步采集，并緩沖整理數(shù)據(jù)至SRAM中；USB經(jīng)由FPGA控制讀取SRAM中數(shù)據(jù)并發(fā)送至PC中；LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)完整的信號(hào)分析過(guò)程。系統(tǒng)從軟硬件兩方面進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)保證了整體設(shè)計(jì)的可靠性和實(shí)時(shí)性。

　　2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　2．1FPGA控制模塊本設(shè)計(jì)采用Altera公司的EP4C22F來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件邏輯控制。該芯片有著近74kB的總RAM存儲(chǔ)空間和多達(dá)153可分配I／O管腳，為本系統(tǒng)搭建提供了便利。本系統(tǒng)中的邏輯控制主要分為：AD采樣時(shí)序控制、數(shù)據(jù)的SRAM緩沖存儲(chǔ)和CY7C68013發(fā)送控制。FPGA控制模塊如圖2所示。2．2A／D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)作為采集系統(tǒng)的最前端，A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度起到了決定性的作用。本系統(tǒng)采用AnalogDevicesInc（ADI）公司的A／D轉(zhuǎn)換芯片AD7903，構(gòu)建雙通道高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集平臺(tái)。AD7903作為一款雙通道16bit的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），具有1MSPS的轉(zhuǎn)換速率。該芯片內(nèi)部集成有兩個(gè)16－bit的高速ADC和一個(gè)多功能串行端口接口（SPI），其SPI兼容串行接口可實(shí)現(xiàn)多個(gè)ADC在菊花鏈工作模式下連結(jié)到單個(gè)三線式總線上�；鶞�(zhǔn)電壓（VREF）由獨(dú)立于電源電壓的外部基準(zhǔn)設(shè)定。因此，AD7903在通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。為了減小開(kāi)發(fā)難度、縮短研發(fā)時(shí)間，選取AD7903工作在CS模式（三線式接口且無(wú)繁忙指示）下。該模式可極大地優(yōu)化編程難度，同時(shí)也可以保證數(shù)據(jù)精度。2．3USB傳輸接口硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用CYPRESS公司的USB2．0控制器CY7C68013實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。CY7C68013為一款集成了USB2．0收發(fā)器的微控制器，其內(nèi)部集成了USB2．0收發(fā)器、增強(qiáng)型8051內(nèi)核、串行接口引擎SIE、可編程I／O接口以及FIFO等功能組件。其4KB的FIFO存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)專用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。芯片的硬件接口模式有端口模式、SlaveFIFO模式和GPIF模式，本系統(tǒng)采用SlaveFIFO模式。在SlaveFIFO模式下，片內(nèi)FIFO的讀寫控制與普通FIFO控制方式一致，保證了數(shù)據(jù)的高速傳輸。USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚�，大�?shù)據(jù)量傳輸特性便于LabVIEW對(duì)數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算處理。

　　3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　3．1A／D采樣時(shí)序在CS模式（三線式接口且無(wú)繁忙指示）下，CNVx上升沿觸發(fā)采樣轉(zhuǎn)換，輸出管腳SDOx強(qiáng)制輸出高阻態(tài)。在單次轉(zhuǎn)換過(guò)程中，時(shí)序變化無(wú)效，CNVx維持高電平至轉(zhuǎn)換完成，此后AD7903進(jìn)入數(shù)據(jù)采樣輸出階段并處于關(guān)斷狀態(tài)。在采樣數(shù)據(jù)輸出階段中，CNVx保持低電平，SDOx自動(dòng)輸出MSB。以完成轉(zhuǎn)換后的CNVx下降沿為觸發(fā)信號(hào)，在SCKx下降沿逐個(gè)輸出數(shù)據(jù)。完成單次的數(shù)據(jù)輸出后，CNVx變?yōu)楦唠娖綍r(shí)SDOx重新返回高阻態(tài)。3．2SRAM存儲(chǔ)控制SRAM數(shù)據(jù)緩沖模塊，旨在與匹配A／D低速的采樣數(shù)據(jù)流和USB的高速傳輸特性，實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的緩存和傳輸。同時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部RAM資源的有限性，更加突出SRAM數(shù)據(jù)緩沖模塊的必要性。系統(tǒng)選用ISSI公司的IS64LV25616A，具有低功耗、控制簡(jiǎn)單和能夠?qū)崿F(xiàn)高速讀寫等特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，選用2片SRAM交替讀寫�？刂菩盘�(hào)確保在采集過(guò)程中寫入和讀出數(shù)據(jù)操作獨(dú)立，其中一個(gè)處于寫滿狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)輸出至USB，新采集數(shù)據(jù)存入另一片。由此反復(fù)，構(gòu)成一個(gè)高速FIFO，從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的不間斷讀寫。SRAM控制流程如圖4所示。3．3USB控制模塊設(shè)計(jì)在EZ－USB處于SlaveFIFO模式時(shí)，芯片擺脫其內(nèi)部單片機(jī)的控制，僅受外部FPGA邏輯電路控制。圖給出了FPGA控制SlaveFIFO邏輯狀態(tài)機(jī)制，其描述如圖5所示。啟動(dòng)：空閑，等待寫時(shí)間，跳轉(zhuǎn)狀態(tài)1；狀態(tài)1：激活FIFOADR，跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)2；狀態(tài)2：判斷FIFO滿標(biāo)志FLAGB管腳電平，若“假”則跳轉(zhuǎn)狀態(tài)3，否則等待；狀態(tài)3：驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)至總線，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，后跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)4；狀態(tài)4：判斷FIFO空標(biāo)志FLAGA管腳電平，若“假”則跳轉(zhuǎn)狀態(tài)2，否則轉(zhuǎn)向啟動(dòng)。USB固件程序?yàn)镋Z－USB芯片CY7C68013的控制程序，可通過(guò)其設(shè)定芯片的傳輸方式、PID／VID、緩沖區(qū)大小、數(shù)據(jù)寬度等相關(guān)參數(shù)。固件程序的下載一般有兩種方法：①將程序存儲(chǔ)至片外EEPROM；②一個(gè)可自動(dòng)固件加載以及設(shè)備重枚舉功能的驅(qū)動(dòng)程序�？紤]到硬件資源優(yōu)化和設(shè)備的可移植性，系統(tǒng)選擇固件程序來(lái)完成初始化及其他操作。USB主機(jī)通過(guò)檢測(cè)USB接口管腳D＋、D－電壓判斷USB設(shè)備是否連接。在USB設(shè)備連接至USB主機(jī)，主機(jī)對(duì)其上電復(fù)位，并配置USB設(shè)備地址。主機(jī)通過(guò)發(fā)送讀取描述符請(qǐng)求（GetDescription）請(qǐng)求獲得USB控制傳輸字節(jié)數(shù)，USB固件等待令牌包并處理相應(yīng)命令。完成后，主機(jī)對(duì)USB設(shè)備進(jìn)入枚舉過(guò)程。主機(jī)循環(huán)向USB設(shè)備發(fā)出讀取描述符請(qǐng)求（GetDescription）請(qǐng)求，讀取所有描述符獲得USB配置信息。主機(jī)根據(jù)設(shè)備VID及PID選擇合適驅(qū)動(dòng)加載。之后主機(jī)發(fā)送請(qǐng)求為USB設(shè)備選擇配置，枚舉結(jié)束。為了便于控制，USB主機(jī)重新加載自定義固件程序，USB設(shè)備進(jìn)行重枚舉。USB設(shè)備與上位機(jī)PC的連接中，LabVIEW提供了眾多簡(jiǎn)便的硬件接口驅(qū)動(dòng)。即使是復(fù)雜的USB接口協(xié)議，NI－VISA仍提供了完備的USB設(shè)備的硬件驅(qū)動(dòng)程序。通過(guò)NI－VISA軟件，可更好的完成系統(tǒng)搭建，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。創(chuàng)建USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)步驟如下：1）打開(kāi)NI－VISADriverWizard，選擇USB硬件總線；2）填寫USB設(shè)備基本信息對(duì)話框，如：VID／PID，制造商等；3）填寫輸出文件文件名及保存路徑；4）將新生成的文件安裝在本地計(jì)算機(jī)；5）完成USB驅(qū)動(dòng)程序安裝，在設(shè)備管理器中便可看到完成安裝后的USB設(shè)備。至此，整個(gè)USB設(shè)備在LabVIEW中完成驅(qū)動(dòng)設(shè)備的安裝，可自由實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫。3．4上位機(jī)LabVIEW軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)調(diào)用針對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)分析的相關(guān)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)被采信號(hào)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖形顯示和傅里葉變化。LabVIEW程序前面板如圖6所示：圖6采集程序界面

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　文章較完整地介紹了雙通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成。采用轉(zhuǎn)換性能優(yōu)越，高精度的AD7903，配合USB高速傳輸特性和LabVIEW的多類型硬件接口的適配性和數(shù)據(jù)處理功能，構(gòu)建具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能的采集系統(tǒng)。根據(jù)文中所設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)，用戶可擴(kuò)展至多通道采集系統(tǒng)或多時(shí)鐘采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更加靈活應(yīng)用的目的。

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