毕业设计论文基于FPGA的蓝牙数据采集系统.docx
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毕业设计论文基于FPGA的蓝牙数据采集系统
基于FPGA的蓝牙数据采集系统
摘要
基于FPGA的蓝牙数据采集系统由下位机和上位机两部分组成。
其中下位机主要由前端传感器、信号调理电路、ADC模数转换电路、FPGA处理模块以及蓝牙模块组成，主要完成前端数据的采集、转换、处理等功能，并将处理后的数据传输给上位机；上位机主要由USB蓝牙适配器和PC机组成，完成数据的显示、监控、存储等功能，并向下位机发送命令。
该系统主要实现现场数据高精度、高速度实时采集，利用蓝牙的无线传输特性实现数据的无线传输。
本系统中FPGA控制处理是系统的核心部分，通过动作指令控制前端调理模块进行数据采集，同时将采集到的数据经FPGA处理，由蓝牙模块将数据传输给上位机，由上位机完成后续的相应处理工作。
关键词：
FPGA，蓝牙，数据采集，温度
BLUETOOTHDATAACQUISITIONSYSTEMBASEDONFPGA
ABSTRACT
BluetoothdataacquisitionsystembasedonFPGAisconsistsoftwopartsthatarelowerplacemachineandPC.Amongthemlowerplacemachineismainlymadeupofseveralparts,forexample,front-endsensor,signalregulatecircuit,ADCfrequencyfieldcircuit,FPGAprocessingmodulesandtheBluetoothmodule.Themainlyfunctionarecompletingfront-enddatacollection,conversionandprocessingandtransferthedataafterprocessedtoPC.PCismainlymadeupofUSBBluetoothadapterandPCcompletingdatadisplay,monitoring,storageandotherfunctions.PCsendcommandstolowerplacemachine.Thissystemmainlyrealizehighprecision,highvelocityfielddatareal-timedataacquisition,USESBluetoothwirelesstransmissioncharacteristicsofthewirelesstransmissionofdatarealization.FPGAisthecenterofthissystemandthroughsendingcommandstocontrolfront-endregulatemodulecollectingdata.AtthesametimethecollecteddatabyFPGAprocessingwillbetransferredtoPCwithBluetoothmodule.ThePCwillcompletethecorrespondingprocessingwork.
KEYWORDS:
FPGA，Bluetooth，Datacollection，Temperature
目 录
前 言
随着科学技术的迅猛发展，新技术革命将把人类由工业化社会推进到信息化社会，以数据存储为主要内容的数据采集测试技术，已形成了一门专门的技术科学。
数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。
数据采集技术是信息科学的重要分支，它不仅应用在智能仪器中，而且在现代工业生产、国防军事及科学研究等方面都得到广泛应用，无论是过程控制、状态监测，还是故障诊断、质量检测，都离不开数据采集系统。
数据采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同需要进行相应的计算和处理，得出所需要的数据。
与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中的一部分数据还将被控制生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。
存储测试系统是一种数据采集系统（DAS），包括数据采集记录硬件和计算机数据分析处理软件；一般情况下，将信息量化采集后先存入系统中的数据存储器，等任务执行完后再进行事后的数据读取和分析；数据采集记录硬件部分在工作完成后进行回收，以便进行数据回读。
一个大型的数据采集系统由以下几个部分组成：
数据采集、数据传输、数据存储、数据处理、分析和显示等。
数据采集技术的发展离不开传感器和计算机控制技术。
网络化测量、采集和控制是其发展的必然趋势。
数据采集几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医药器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好的获取信息提供了良好的基础。
第1章绪论
1.1课题的研究
1.1.1课题的提出
在现代工业生产、控制和科学研究中，对各种现场数据进行采集、传输并处理已是必不可少的组成部分。
数据采集系统，它主要完成数据信息的采集、A/D转换、数据存储，然后通过蓝牙接口电路将处理后的数据送入计算机作进一步处理,实现无线数据传输、控制功能。
目前，以这样的系统为核心的设备在国内外得到了广泛的应用，比如工业生产中的液位、温度、压力、频率等数据采集系统；生物医学方面的电生理信号的采集系统，机场、商场、交通等重要的场所安装的监控设备、视频会议、可视电话等多媒体设备等[1]。
以前的数据采集系统中，处理器一般采用单片机，单片机价格比较低廉、结构简单、接口扩展能力强。
但很明显的缺点是数学运算能力差，对于实时性要求高、传输率要求快、对信号的数学处理比较复杂的领域来说，单片机就显得力不从心了。
在电路设计上，传统的采集系统多采用分离式的元器件，这样的的系统，体积大、结构复杂、开发调试周期长，而且稳定性和抗干扰性都比较差。
同样在和上位机PC之间的数据传输问题上，有大量的传统的数据传输电路，而蓝牙数据传输则实现了无线传输。
本论文着眼于开发一种能满足集数据采集、数据处理、无线传输功能的通用型数据采集处理系统[2]。
1.1.2研究的可行性
在电子技术飞速发展的今天，FPGA（现场可编程门阵列）和CPLD（复杂可编程逻辑器件）应用已十分广泛，它们随着EDA技术的发展而成为电子设计领域的重要角色。
由于该器件可以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方式进行重构，硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷，极大的改变了传统的设计方法、设计过程，乃至设计观念。
借助于大规模集成的可编程逻辑器件和搞笑的设计软件，用户不仅可通过直接对芯片结构的设计实现多种数字逻辑系统功能，而且由于管脚定义的灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度；同时，这种基于可编程逻辑器件芯片的设计大大减少了系统芯片的数量，缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性[2-3]。
蓝牙，是一种支持设备短距离通信得无线电技术。
能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。
利用“蓝牙”技术，能够有效的简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功的简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。
1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。
蓝牙具有很多优势：
1.全球可用
2.设备范围
3.易于使用
4.全球通用的规格
1.1.3数据采集系统方面的发展前景
近几年，Internet网络飞速发展，各式各样的网概念个技术不断涌现，如电子商务（B2B、B2C等）、对等网络（P2P）、Net、移动电子商务、无所不在的电子计算等等，他们改变着人们的生活和工作，同时也深刻的影响着工业领域内的各种采集、控制、监控系统的结构和功能。
数据采集系统（DateAcquisitionSystem,简称DAS）目前在工业领域应用非常广泛，在工业领域存在大量远程数据采集系统，这些系统支持着工业领域，如电力、军事、通信等各种生产的正常运行。
具体应用如水、电、煤气调度SCADA系统，电力变电站综合自动化系统等。
在这些数据采集系统中访问装置数据源是必须的功能，数据采集系统是工业控制和监控系统的核心和基础[4]。
数据采集技术是存储测试技术的一个重要组成部分，是以传感器、信号测量与处理、计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术。
它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等作业，具有很强的使用性。
目前，数据采集技术已广泛应用于工业控制系统、数据采集系统、测自动试系统、智能仪器仪表、遥感遥测、通讯设备、机器人、高档家电等方面。
可以预见，随着大规模集成电路技术与计算机技术的发展，数据采集技术将在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、无损监测、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程众多领域发挥更大的作用。
特别是计算机的发展，网络化可以更好地协调工作，增强系统的可靠性，势必推动数据采集在更加广阔的领域应用[5]。
第2章采集系统的硬件设计
2.1系统的整体设计方案
根据课题的要求，提出系统整体设计方案，其系统框图如图2-1所示。
图2-1系统整体设计方案
整个系统由信号采集模块、A/D转换模块、中心控制模块FPGA、蓝牙模块及外围电路组成。
信息采集模块是存储测试中的重要环节，关系着获取信息的质量和采集测试的精度。
模拟信号的采集电路通常由跟随器、模拟开关、A/D转换器、缓冲器等部分组成。
被采集的信号经A/D转换成数字信号后存入存储器。
电路的整个时序由逻辑控制模块协调控制。
主控制模块由FPGA及其外围电路组成。
FPGA是控制模块的核心部分。
主要完成A/D转换器的时钟选取、数据的存储计算以及相应的控制逻辑、实现与PC机的通信等控制任务。
蓝牙模块主要完成FPGA与PC机的数据传输，由蓝牙模块及相应的电路组成[5]。
2.2系统的整体结构
系统的整体结构如图2-2所示。
图2-2系统的整体结构
FPGA与PC机的通信图如图2-3所示。
图2-3FPGA与PC机通信
2.3系统的整体功能设计图及仿真图
由各个VerilogHDL功能图组成的系统数据采集及传输如下图2-4所示。
图2-4数据传输
由2-4图导出的QuartusII仿真图如下2-5图所示。
图2-5数据传输仿真
第3章温度传感器模块
3.1温度传感器型号
1.接触式温度传感器
接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。
温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。
一般测量精度较高。
在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。
但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。
它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。
在日常生活中人们也常常使用这些温度计。
随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。
低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。
利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。
2.非接触式温度传感器
它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。
这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。
常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。
辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。
各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。
只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。
如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。
而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。
在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。
在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。
对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。
附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。
利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。
最为典型的附加反射镜是半球反射镜。
球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数式中ε为材料表面发射率，ρ为反射镜的反射率。
至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。
通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。
在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。
非接触测温优点：
测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。
对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。
随着红外技术的发展，辐射测温，逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。
3.模拟温度传感器
传统的模拟温度传感器，如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控，在一些温度范围内线性不好，需要进行冷端补偿或引线补偿；热惯性大，响应时间慢。
集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有实际尺寸小、使用方便等优点。
常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。
这里主要介绍该类器件的几个典型，如下：
（1）AD590温度传感器。
（2）LM135/235/335温度传感器。
4.逻辑输出型温度传感器
在许多应用中，我们并不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备，此时可选用逻辑输出式温度传感器。
LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。
（1）LM56温度开关。
（2）MAX6501/02/03/04温度监控开关。
5.数字式温度传感器
（1）MAX6575/76/77数字温度传感器。
（2）可多点检测、直接输出数字量的数字温度传感器[6]。
3.2温度传感器的选型
温室的温度变化范围通常在10℃-40℃之间，精度要求为1，因此可采用AD590集成温度传感器。
这种传感器是单片集成两端感温电流源，它的线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便，在整个测温范围内的误差小于0.5，具体数据如下[7]：
1．电源电压：
4V~30V
2.测温范围：
-55℃~+150℃
3．温度系数：
1uA/℃
4．输出电阻：
710MΩ
第4章A/D转换器
4.1A/D转换器的选择
随着超大规模集成电路技术的飞速发展和计算技术在工业领域的广泛应用，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。
为了满足各种不同的检测和控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换电路应运而生。
有传统的并行型、逐次逼近型、积分型，也有近年来新发展起来的∑一△型和流水型等，各种类型的ADC各有其优缺点，可满足不同的要求[8]。
4.1.1A/D转换器的分类及其特点
目前，模数转换集成电路主要由以下几种类型：
1.并行比较ADC
并行比较ADC是现今速度最快的模/数转换器，通常称为“闪烁式"ADC。
它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四部分组成。
这种结构ADC的所有位同时转换，其转换时间主要取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。
增加输出位数对转换时间的影响较小，但随着分辨率的提高，需要高密度的模拟设计，以实现转换所需的大量精密分压电阻和比较器电路。
例如，N位ADC需要2n个精密电阻和2（n-1）个并联比较器。
这类ADC的优点是:
模数转换速度高。
2.逐次逼近型
逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法，它由比较器、DIA转换器、比较寄存器、时钟发生器以及控制逻辑电路组成。
它将采样输入信号与已知电压不断进行比较，然后转换成二进制数。
主要通过二分探索法求得一数字码，使其对应的电压最接近于输入电压。
这一类型ADC的优点:
转换速率比较高，采样速率可达1MSPS；与其它ADC相比，功耗相当低；转换精度也比较高。
在高精度、快速A/D变换中应用最为广泛。
3.积分型ADC
前面所讲到的并行比较ADC和逐次逼近型ADC均属于直接转换ADC,而积分型和后面所讲的压频变换型ADC则属于间接ADC。
积分型ADC又称为双斜式ADC。
它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。
与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，根据时间间隔的值计算出模拟电压的值，从而实现A/D转换。
积分型ADC的转换精度只取决于参考电压，因此容易提高它的精度。
这类ADC主要应用于低速、精密测量等领域。
其优点是:
分辨率高、功耗低、成本低。
4.压频变换型ADC
压频变换型ADC是先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号，然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数，计数结果正比于输入模拟电压信号的数字量。
从理论上讲，这种ADC的分辨率可以无限增加，只要采样时间足够长，即满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。
其优点是:
精度高、价格低、功耗低。
5.∑--△型ADC
与一般的ADC不同，∑--△型ADC不是直接根据抽样数据的每一个样值的大小进行量化编码，而是根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。
∑--△型ADC由两部分组成，第一部分为模拟∑--△调制器，第二部分为数字抽取滤波器。
由于∑--△具有极高的抽样速率，通常比奈奎斯特抽样频率高出许多倍，因此∑--△转换器又称为过抽样转换器A/D。
这一技术的优点:
分辨率可高达24位，比积分型及压频变换型ADC的转换速率高，可实现低价格、高分辨率的数据采集。
6.流水线型ADC
流水线型ADC（pipeline）又称为子区式ADC，它由若干级级联电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。
快速精确的n位转换器分成两段以上的子区（流水线）来完成。
流水线ADC不但简化了电路设计，还具有如下优点:
每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正，具有良好的线性和低失调性；每一级具有独立的采样/保持放大器，前一级电路的采样/保持可以释放出来用于处理下一次采样，因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理，从而提高了信号的处理速度，多级转换提高了ADC的分辨率。
由此可见这种类型的ADC不仅转换速度较高，而且分辨率也比较高[8]。
4.1.2模数转换器的主要参数
无论我们选择那种A/D转换器，都必须考虑以下几个主要性能指标:
1.分辨率
2.量程
3.绝对误差
4.量化误差
5.偏移误差
6.转换速率
4.2ADC0809芯片
A/D转换器是数据采集电路的核心部件，正确选择A/D转换器是提高数据采集电路性价比的关键。
由于本系统传感器测温电路输出端得电压变化范围在0.5V～2V之间，因此选用8路8位逐次逼近型A/D转换器ADC0809。
它可对8路0～5V的输入模拟电压进行分时转换。
其主要特性如下[8]：
1.分辨率为8位
2.最大不可调误差
3.可锁存三态输出，能与8位微处理器接口
4.输出与TTL兼容
5.转换时间约为100us
6.不必进行零点和满度调整
7.单电源供电，供电电压为+5V
4.2.1ADC0809结构图
如下ADC0809引脚图4-1所示。
图4-1ADC0809引脚
ADC0809的内部逻辑结构图如下图4-2所示。
图4-2ADC0809内部逻辑结构
图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。
地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表4-1为通道选择表[9]。
表4-1通道选择表
CBA
被选择的通道
000
IN0
001
IN1
010
IN2
011
IN3
100
IN4
101
IN5
110
IN6
111
IN7
4.2.2ADC0809的管脚描述
ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其主要信号引脚的功能说明如下：
1.IN7～IN0——模拟量输入通道
2.ALE——地址锁存允许信号。
对应ALE上升沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中
3.START——转换启动信号。
START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平
4.A、B、C——地址线。
通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA,ADDB,ADDC。
其地址状态与通道对应关系见表4-1
5.CLK——时钟信号。
ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。
通常使用频率为500KHz的时钟信号
6.EOC——转换结束信号。
EOC=0，正在进行转换；EOC=1,转换结
束。
使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用
7.D7～D0——数据输出线。
为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。
D0为最低位，D7为最高
8.OE——输出允许信号。
用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到
的数据
9.Vcc——+5V电源
10.Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。
其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V）
4.3ADC0809模块设计及仿真
下图4-3是由VerilogHDL所生成的ADC0809模块管脚图。
图4-3ADC0809模块设计
在QuartusII软件上用VerilogHDL语言编写ADC0809，然后仿真，仿真结果如下图4-4所示。
图4-4ADC0809波形仿真
由仿真波形结果说明ADC0809模块得到正确验证。
4.4FIFO模块设计及仿真
下图4-5是由VerilogHDL所生成的FIFO模块管脚图。
图4-5FIFO模块管脚
下图4-6为Quartus
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