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的应用FPGA实现对电压信号地采集和转发

应用FPGA实现对电压信号的采集和转发

摘要

随着计算机技术的突飞猛进以及移动通讯技术在日常生活中的不断深入，电压信号采集不断地向多路、高速、智能化的方向发展。

本文针对此需求，实现了一种应用FPGA和AD7667的高速的六路电压信号系统，从而为测量仪器提供良好的采集数据。

在生产过程中，应用六路电压信号系统可以对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供了技术手段。

随着计算机技术和电子信息技术的飞速发展和日益普及，六路电压信号系统也得到了广泛应用。

尤其在航空航天、地质勘探、电力、雷达、通信等领域中，对六路电压信号系统的精度要求、速度要求日益增高。

在某些特殊场合下，对六路电压信号系统的便携性也提出了很高的要求。

因此，设计出一个合适的六路电压信号系统就显得尤为必要和迫切。

论文在研究FPGA的基础上，建立了一个基于FPGA的六路电压信号系统。

在本文一开始介绍了FPGA的相关基础知识和FPGA的软件开发平台，下文中FPGA的设计开发都是建立在这些基础之上的。

本文设计了一种基于FPGA和AD7667的六路电压信号处理系统，针对此系统设计了基于AD7667的模数转换采集板，再将模数转换采集板的数据传送至基于FPGA的采集控制模块进行数据的压缩以及缓冲存储，最后调入数据进行数据的处理。

经设计与调试，模数转换模块可为系统提供稳定可靠的数据，能稳定工作在百兆的频率下；采集控制模块能实时地完成数据压缩与数据缓冲，并能控制前端AD7667的采样，该模块也能稳定工作在百兆的频率下。

该系统为高速的六路电压信号系统，并能稳定工作，从而能满足电子测量仪器的要求。

关键词：

电压信号采集，FPGA，AD7667

TheapplicationofFPGAImplementationofthecollectionandforwardingofthevoltagesignal

Abstract

Withtherapiddevelopmentofcomputerscienceandmobilecommunication,dataacquisitionsystemisdevelopingtowardsmulti-channelhigh-speedandIntelligent.Inordertomeetthistendency,thispaperhasdevisedadata-acquisitionsystemwhichisbasedonFPGAwithmulti-channelandhigh-speed,andthissystemcanprovidetherightdataforspecialmeasurementinstrument.

Intheproductionprocess,theapplicationofdataacquisitionsystemcangather,monitorandrecordthetechnologicalparameterintheproductionfield.Itprovidestechnologyandtheelectronicinformationtechnology'srapiddevelopment,thedataacquisitionsystemalsoobtainedthewidespreadapplication.Especiallyinthedomainsofaerospace,geologicalprospecting,electricpower,radar,communicationandsoon.Wealsosettheveryhighrequesttodatasystemappearsespeciallyessentialandurgent.ThispaperhasestablishedadataacquisitionsystembasedonFPGAtechnologies.

Inthefirstpartofthearticle,weintroducedtherelativebasicknowledgeofFPGA,FPGAplatformandthecorrespondingsoftwaredevelopmentenvironment.OnthebasisofthatwemadethepaperonFPGAdesigndevelopment.

Thispapermainlydiscussthemulti-channeldata-acquisitionsystemwhichisbasedonFPGA+AD7667;inthissystem,ananalog-to-digitalconvertingboardwhichisbasedonAD7667isdesignedtogeneratedigitalsignals,thenthesignalswillbetransferredtothecontrolunitwhichisbasedonFPGA,sothatthesignalswillbecompressedandcachedintime,atlast,thecompresseddateswillbeforfurtherprocess.

Bydesigninganddebuggingcarefully,theanalog-to-digitalconvertingboardcansupplyreliabledatesinhighfrequency;thisunitcancontrolthesampleoftheAD7667bythesample-clock.Thesystemdiscussedinthispaperismulti-channel、high-speedandstablesothatitcanmeettherequirementoftheelectronicmeasurementinstrument.

Keywords:

Voltagesignalacquisition，FPGA，AD7667

1绪论

1.1研究目的及意义

随着社会的发展和科学技术的进步，信号处理技术已经越来越广泛的应用于人类活动的各个领域。

从20世纪60年代以来，数字信号处理技术已逐渐成为信号处理领域的主力，它已经渗透到各个应用领域之中。

与此同时作为数字信号处理的前提——六路电压信号也不断得到长足的发展，六路电压信号是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或者打印的过程，相应的系统称为六路电压信号系统。

在生产过程中，应用六路电压信号。

系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。

在科学研究中，应用六路电压信号系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获得科学奥秘的重要手段之一。

对于微弱信号的采集和处理，多数是以单片机或CPU为控制核心，虽然编程简单控制灵活，但由单片机串行工作的特点所决定的，即使是高速度单片机也只能工作在us级；可靠性低，在某些情况下瞬间的复位会造成严重后果；不支持地址空间的扩展，只能用I/O端口来扩展外围器件；专门为超低功耗设计，工作电压为3.3V，不适宜工作在+5V工作电压；因此，单片机的指令周期以及处理速度的影响，对于多通道、多个A/D组成的阵列进行控制以及数据处理，普通单片机达不到要求，因此多路六路电压信号系统里往往不采用单片机直接控制。

本课题就是为了在些微体积、低功耗的测试系统中实现高速六路电压信号的功能的同时而不增加系统的体积和功耗的情况下应运而生的，即用FPGA实现六路电压信号和数据实时压缩的功能。

本课题主要研究六路电压信号和数据压缩两大方向，这两大方向的主要功能都是通过FPGA来实现。

六路电压信号模块主要是通过FPGA对外部的A/D芯片进行控制。

作为六路电压信号的典型应用——电子测量仪器，它的应用范围也越来越广，向着多功能、多方位、多领域扩展，许多新的测试项目、新的仪器不断涌现，广大用户对电子测量的要求也由仅仅的稳定性提升为综合性要求，进一步上升为专业化、手持化、微机化、通讯化、监控化等等，本文正是应用电子测量仪器的六路电压信号端进行设计。

在目前我们所应用的电子测量仪器中，其六路电压信号所采用的方法在实际的应用领域差异较大，一般均为定制的六路电压信号卡，有的通道较多但速度不够快，有的采集速度较快但通道较少。

基于此，本文结合实际的项目，设计一种应用FPGA的高速多通道的仪器用六路电压信号系统，希望能为实际的产品提供有用的参考。

1.2国内外发展趋势及研究现状

六路电压信号系统出现于20世纪50年代，1956年美国首先研发了用在军事上的六路电压信号测试系统。

在20世纪60年代后期，国外就有成套的六路电压信号测试设备进入市场，此阶段的六路电压信号设备和系统多属于专用的系统[1]。

进入20世纪70年代，随着计算机的普及应用，六路电压信号系统得到了极大的发展，开始出现了通用六路电压信号与自动测试系统。

该阶段的六路电压信号系统主要由两类：

一类由仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机构成。

第二类由六路电压信号卡、标准总线和计算机构成。

20世纪80年代后期，六路电压信号系统发生了巨大变化，由工业计算机、单片机和大规模集成电路组合，并用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大增强。

20世纪90年代至今，由于微电子技术和集成电路制造技术的不断进步，出现了高性能、高可靠性的单片六路电压信号系统。

目前有的产品精度已达16位，采集速度每秒可达几十万次。

六路电压信号技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到广泛的应用，六路电压信号系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可以扩展和修改，迅速组成一个新的系统。

微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅为高性能六路电压信号系统的应用开拓了广阔的前景，也对高性能六路电压信号技术的发展产生了深刻的影响。

高性能六路电压信号系统的发展趋势主要表现在以下几个方面：

（1）六路电压信号片上系统，它集六路电压信号、处理、运算、分析等为一身的六路电压信号芯片应运而生。

（2）采用新型信息处理方法，近几年的数据融合技术、模糊信息处理技术和神经网络技术等，在六路电压信号和现代测试系统中得到了广泛的应用。

（3）采用高智能化软件，它可以在一些场合下代替复杂的硬件电路去对信号做分析和处理。

（4）网络化，以Internet为代表的网络技术的出现为测量仪器技术带来了前所未有的发展空间和机遇，网络化测量技术与具备网络功能的新型仪器应运而生。

（5）通用化与标准化，它为系统更改、升级与大范围连接带来了便利条件，现代六路电压信号系统的通用化与标准化设计十分重要[2]。

目前，国外企业已经推出了很多能适应不同条件，不同精度要求的六路电压信号系列产品。

国内对六路电压信号设备的研制与国外的情况相比，在开发应用的广度和深度方面，还有一段距离，现场六路电压信号要求比较高的场合多是采用国外产品。

由Alter公司推出的新一代专用集成电路是专门针对某一数字系统设计、生产的集成电路。

ASIC皆有保密性，由ASIC构成的数字系统体积小、功耗低、成本低。

随着工艺和技术的进步，极大地缩短了ASIC的研制周期，有效地降低了ASIC的设计成本。

可编程ASIC缩小体积、减轻重量、降低功耗，提高可靠性，易于获得高性能，可增强保密性，在大批量应用时，可显著降低系统成本。

现场可编程ASIC就是指现场可编程门阵列FPGA。

FPGA的时钟频率可高达100MHz以上和I/O端口多，可以自定义端口功能等特点设计，并且可以将其模块化为A/D控制及并串转换、乒乓传输控制、RAM读写控制3部分。

FPGA与单片机相比，FPGA具有很多的优势。

FPGA产品的应用领域已经从原来的通信扩展到消费电子、汽车电子、工业控制、测试测量等广泛的领域。

FPGA企业都在大力降低产品的功耗，满足业界越来越苛刻的低功耗需求。

2001年之后，FPGA从150nm、130nm跃进到90nm，在2006年，65nm工艺又在第一时间被引入。

采用65nm工艺技术，使FPGA产品的性能再次获得了飞跃，成本和功耗也大幅降低。

工艺技术推动的创新还在不断延续。

Alter向业界发布了全球首款采用40nm工艺的FPGA和ASIC，FPGA产品已经进入45nm时代，32nm产品的研发也在紧锣密鼓地进行着。

而每一代新工艺技术都像是FPGA业的重磅武器，让FPGA在与ASIC和ASSP的竞争中获得更大的空间。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内的RAM进行编程。

用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。

掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。

FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。

当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。

这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。

因此，FPGA的使用非常灵活[3]。

基于FPGA的I/O端口多、频率高，低功耗等优点，对于有严格时序要求的多路六路电压信号系统，采用FPGA构建六路电压信号系统核心控制电路，主要完成A/D转换及数据的采集、传输。

2系统硬件电路的设计

2.1六路电压信号系统概述

六路电压信号电路是测试系统中的重要组成部分，其主要包括模拟电路部分和数字电路部分两个部分。

其中的模拟部分主要是将前端的传感器所提供的电参量信号进行转换、放大、滤波等处理，使之成为适合AD或者显示记录仪器所需要的电压信号。

数字部分主要是根据不同的需要按照不同的采样策略来对AD转换器进行控制，实现对模拟信号的采样和量化。

同时数字部分的电路还要将所采集的数据进行处理、存储和向上位机传输，以便进行更进一步的数据分析。

本文主要是实现数字部分的设计。

将模拟信号转换为数字信号、并进行存储和计算机处理显示的过程称为六路电压信号，而相应的系统称为六路电压信号系统（DataAcquisitionSystem）。

六路电压信号是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等工作，它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础[4]。

A/D转换的基本过程模拟量是时间上和幅值上都连续的一种信号，模拟量经过采样后得到的信号是时间上离散，幅值上连续的信号，即离散信号，这一过程就是采样过程。

计算机对这种离散信号还不能处理，计算机只能处理数字量，所以还必须把离散信号在幅值上也进一步离散化，这一过程就是量化过程。

量化后的信号是时间上和幅值上都离散的数字量，可以直接送到计算机中进行处理。

采样是将模拟量变换为离散量，一般包括采样与保持两个步骤，量化是将离散量变换成数字量，一般包括量化与编码两个步骤。

采样与量化是A/D转换的基本过程。

采样为了把一个连续变化的模拟信号转变成对应的数字信号，就必须首先把模拟信号在时间上离散化，也就是对模拟信号进行采样。

采样的过程一般是：

先使用一个采集电路，按等距离时间间隔，对模拟信号进行采样，然后用保持电路将采集来的信号电平保持一段时间，以便模数转换器正确地将其转换成对应的数字量。

六路电压信号的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成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。

六路电压信号几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医疗器械、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。

在高速的六路电压信号系统中，往往会采用应用FPGA的六路电压信号系统架构，该系统主要由A/D+FPGA组成，A/D负责多路数据的采集工作，FPGA主要负责数据的缓冲存储以及对前端ADC的采样控制。

该系统充分利用了FPGA的可编程性，灵活配置前端的采样控制以及数据的

传输从而能很好的达到采样控制，FPGA可以作为系统的核心控制芯片，控制整个采集系统的工作，同时FPGA的工作频率可以达到百兆，并且内部含有丰富的可编程逻辑单元，因而该系统可以满足多路六路电压信号。

2.2六路电压信号采集和转发的基本流程

六路电压信号在工业测试系统中试一个很重要的环节，其中精确性和可靠性是至关重要的。

本课题阐述的数据系统精确度高达16位，能够对6个外部模拟通道行进A/D采样，最大模拟输入信号范围达到—15~+15V。

该系统具有限幅保护功能，程序编写简便，能够实现对远端数据的采集和传输。

图2.1是系统总体结构图：

图2.1系统总体结构图

输入端的输入信号为需要采集的电压信号，一般由传感器提供；信号调理电路的主要作用是滤掉干扰，使传感器输入的被测模拟量更加准确；A/D转换使模拟量转换成数字量，以便实现数据采集的目的；FPGA提供整个系统的控制信号，让整个系统正常有序的工作；FIFO用来提供对采样后的数据进行缓存。

数据采集存储系统工作可靠与稳定主要取决于信号采集、信号调理，数据传输以及数据存储四大模块设计[5]。

数据采集与存储控制模块均采用Xilinx公司的Spartan-Ⅱ系列FPGA中的XC2S100实现。

它作为控制器具有时钟频率高，编程配置灵活，内部延时小，运行速度快，I/O端口多，配以IP软核，本身集采样控制、处理、缓存、传输控制、通信于一个芯片内，各方面均满足系统对实时性和同步性的要求。

2.3信号调理电路

从传感器输入的所有电压信号范围都是0—5V，输入阻抗要求大于1M欧，由于电源模块的输出电压只有5V，所以为了保证信号的完整性，设计中选用了具有轨对轨输出特性的运算放大器0PA4340，并进行了适当的分压及阻抗匹配处理，对输出也进行了适当的滤波处理，图2.2为设计中用到的信号调理电路。

图2.2单路信号调理电路

2.4通道选择电路

设计中要求采集6路电压信号，为降低系统成本和减小体积，采用公共A/D转换电路，用1片16选1的多路开关来实现通道的选取。

2.4.1六路开关的选择

选择多路开关时，通常考虑以下几个参数：

（1）通道数量：

通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响，因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大。

平常使用的模拟开关，在选通其中一路时，其它各路并没有真正断开，只是处于高阻状态，仍存在漏电流，对导通的信号产生影响；通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。

（2）导通电阻：

理想的多路开关起导通电阻应为零，断开电阻应为无穷大，但现实中的模拟开关达不到这一要求。

模拟开关的导体电阻会使信号电压产生跌落，尤其是和低阻抗器件串联使用的时候压降会相对较大。

所以在选择开关时应考虑导通电阻，尤其是在使用低阻抗器件的时候。

（3）开关时间：

由于模拟开关器件中有导通电阻且有寄生电容，这就会产生一定的导通和断开时间，所以在选择开关时应考虑开关时间，并选择开关时间较小的器件。

（4）泄漏电流：

指开关断开时漏极电流。

一个理想的开关要求导通时电阻为零，断开时电阻趋于无限大，漏电流为零。

而实际开关断开时为高阻状态，漏电流不为零，常规的CMOS漏电流约1nA。

如果信号源内阻很高，传输信号是电流量，就特别需要考虑模拟开关的泄漏电流，一般希望泄漏电流越小越好。

（5）切换速度：

对于传输快速变化的电路，要求开关的传输速度高，同时应考虑其频率不大于A/D的转换频率，从而使得电路性能更优。

（6）器件封装：

常用的模拟开关有DIP和SO两种封装，可以根据实际需要选择[6]。

2.4.2ADG706的运用

本设计选用的ADG706是16路模拟选择开关，内部包括16路模拟开关阵列，用于通道选择的数字译码电路和使能输入控制。

ADG706的四位地址位A0、A1、A2、A3的输入决定16路输入信号中要选择输出的通道号，使能端EN控制ADG706是否处于工作状态。

EN信号为高电平时，模拟开关有效。

其真值表如下：

表2.1ADG706真值表

选通

无

ADG706采用28管脚的封装形式TSSOP，其在系统中的运用如图2.3所示。

图2.3模拟开关电路

S1～S16接外部的16模拟信号，A0、A1、A2、A3接FPGA给的地址信号，EN接使能控制信号，A3接地，D为输出端，输出的信号经调理后送给模数转换器。

当EN信号为高电平时，模拟多路开关选通[5]。

2.5A/D转换电路

A/D和D/A转换器是现代数字系统中的重要组成部分，应用日益广泛。

D/A转换器的分辨率和转换精度均与转换器的位数有关，位数越多，分辨率和转换精度均越高。

常用的集成ADC和DAC种类很多，其发展趋势是高速度、高分辨率、易与计算机接口，以满足各个领域对信息处理的要求[7]。

2.5.1A/D转换器的分类及其特点

目前A/D转换器的种类虽然很多，但从转换过程来看，可以归结成两大类，一类是直接A/D转换器，另一类是间接A/D转换器。

在直接A/D转换器中，输入模拟信号不需要中间变量就直接被转换成相应的数字信号输出，如计数型A/D转换器、逐次逼近型A/D转换器和并联比较型A/D转换器等，其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。

而在间接A/D转换器中，输入模拟信号先被转换成某种中间变量（如时间、频率等），然后再将中间变量转换为最后的数字量，如单次积分型A/D转换器、双积分型A/D转换器等，其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性能强，一般在测试仪表中用得较多[8]。

图2.4AD分类图

2.5.2A/D转换器的主要技术指标

分辨率：

指数字量变化一个最

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