基于FPGA 多通道数据采集系统设计.pdf

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基于FPGA多通道数据采集系统设计万耀李小清周云飞潘海鸿（华中科技大学机械科学与工程学院，武汉，430074）本文由湖北省自然科学基金项目“基于工业以太网的多轴运动控制理论与支撑技术研究”资助（编号：2006ABA065）摘要：以EP1K100系列FPGA为核心控制模块结合CS5101A模数转换芯片，实现了高精度数据采集系统，该系统能够完成40路最大采样频率100KHz、精度为12位有效数位的差分模拟信号采集，具有采集通道输入路径的自标定功能。介绍了该控制FPGA由顶至下模块化设计的具体实现方案，并给出其核心模块的状态跃迁图及时序仿真波形。关键词：数据采集；FPGA；CS5101A；标定；延时寄存器DesignofDataAcquisitionSystemBasedonFPGAWANyaoLIxiao-qingZHOUyun-feiPANhai-hong(HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan,430074,China)Abstract:Thispaperdescribesamulti-channeldataacquisitionsystemusingEP1K100serialsFPGAandCS5101AA/Dconverter.Thesystemachievesacquiring40-routedifferentialanalogsignalswiththemaximalfrequencyof100KHzandtheprecisionof12bits,andalsoprovidesself-calibrationfunction.Atop-downmethodologyisusedinthedesignofFPGA.Thestatediagramsandsimulationwaveformsofmainmodulesarepresented.Keywords:FPGA;dataacquisition;CS5101A;calibration;delayregister中图分类号：TN79文献标识码：B0引言数据采集系统是计算机测控系统中不可或缺的组成部分，是影响测控系统的精度等性能指标的关键因素之一。常用数据采集方案是以微处理器为核心控制多个通道的信号采集、预处理、存储和传输，即用软件实现数据的采集，这在一定程度上局限了数据采集的速度、效率及时序的精确控制。本文研究的数据采集系统应用于某高速高精IC设备，待采集信号来源于多个传感器，系统要求在不多于180us的时间内需实现全部40路通道数据的现场高精度采集、预处理、实时存储及远程传输。考虑到FPGA器件的高集成度、高时钟频率、时序控制精确、编程灵活等明显优于普通微处理器的特点，故本系统采用FPGA为核心控制ADC和数据传输，这样可达到预期要求，并简化外围电路，降低设计风险，缩短开发周期。1系统结构本文设计的数据采集系统划分为A/D转换电路、采集控制FPGA和光纤传输接口等若干部分，以A/D转换电路、采集控制FPGA为本采集系统的核心，如图1所示。串行数字多路转换结果DB.差分.A/D采集光纤模拟.A/D转换控制FPGAAB光纤串行信号电路接口收发转换控制数据信号标定采集开始及结束信号通道图1采集系统结构框图该系统实现数据的采集、预处理和存储功能。当采集控制FPGA经光纤接口接收到来自远程伺服控制板卡的开始采集指令，来自各个传感器的差分模拟信号即经系统内的多路开关被选通地输入模数转换器，转换结果进而被引入采集控制FPGA中，在进行适当的预处理后，数据被存储在FPGA内嵌的DPRAM中等待读取。同时根据对FPGA内建的寄存器操作实现采集系统的其他功能，如复位、标定等。全系统12位有效数位的转换精度由高精度A/D芯片以及对模拟差分信号输入路径的标定来保证。 2关键芯片介绍该数据采集系统涉及到的关键芯片主要为FPGA、ADC转换芯片。FPGA选用Altera公司的EP1K100系列。该系列芯片采用查找表（LUT）和EAB（嵌入式阵列块）相结合的结构，内核采用2.5V电压，功耗低，能够提供高达250MHz的双向I/O功能，支持3.3V/5V混合电压信号，无需额外电平转换芯片进行电平匹配。其特点正适合应用于具有复杂逻辑及有存储、缓冲能力的数据采集系统。Crystal公司的CS5101A是一款16位高精度CMOS模数串行转换芯片，内含双通道输入多路开关、ADC、转换和校准微控制器、时钟发生器、比较器和串行通讯口，其固有的采样结构使其工作时无需外部跟随和保持运放器。CS5101A的线性度误差为±0.001％FS，满刻度误差为±1LSB，转换频率为100KHz，具有自校准、抗温漂特性，长时间空载可维持精度不变。选用该高性能ADC芯片对实现采集系统的精度校准和诊断作用有重要意义。3方案实现3.1电路设计系统以8通道差分多路开关ADG407、差分运放器INA105和CS5101A构成采集控制FPGA的信号输入通道，如图2所示。该采集系统需要有40路差分模拟电压信号输入，故使用6片ADG407以实现最大48路模拟输入通道的多路复用。每片ADG407的输出连接到一个0.5倍差分运放器INA105实现差分至单端转换，经过运放网络后连接到CS5101A的一个模拟输入端。该采集系统使用3片CS5101A，分别对应3个采集子单元，至多可满足48路输入通道的要求。在一个采样周期内，选择哪路差分模拟信号进行A/D转换由采集控制FPGA通过控制每片ADG407的地址选择端和每片CS5101A的通道选择端实现。电路及FPGA结构框图见图2所示。采集开始A/D采集控制FPGA触发信号第1组采AD_start集单元第2组采采集FPGA.集单元第3组采×7.多路差分变（16路）.开关单端（16路）集单元全局控制模块采集结束（16路）应答信号CSAD_done5101.×7.多路差分变第1第2第3.开关单端组组组采集采集采集模拟信号单元单元单元延时初值及标定信控制控制控制16模块模块模块号输入通道选通及转换控制信号DPRAMDB328AB图2采集转换电路连接及采集控制FPGA结构框图精度是该数据采集系统的关键指标，设计的目标之一就是使整个采集系统能达到12位有效数位的转换精度。由CS5101A的参数得出该芯片的精度可达15位有效数位，故该系统的精度主要取决于信号的输入路径，即必须考虑到板卡上的元器件工作情况和线路上信号传输对实际转换精度的影响，因此实现采集通道的标定对于整个采集系统有重要的意义。每一组模拟输入信号均要经多路开关，到一个前置放大电路，再进入ADC中。该信号路径即为待标定的通道。当多路开关通道之间的匹配较好时，一路通道一次即可标定该组多路开关的所有通道。在此选择每片ADG407的最后一路输入通道作为其标定通道，以采集系统板卡 提供的零位电压（模拟地）和差分参考电压为其输入信号，从而进行ADC整体精度的校准和诊断。在上述设计下，将CS5101A的BP/UPN引脚拉高使其工作在双端状态。并通过设置其SCKMOD引脚和OUTMOD引脚电平使CS5101A工作在PDT（管道数据传输）的串行数据输出模式下，以利FPGA的时序控制。在此模式下，采集控制FPGA为CS5101A提供串行数据输出时钟信号SCLK，在转换时刻寄存当前数据，进而在下一个转换周期输出上一次转换结果。CS5101A的/HOLD信号必须在上次转换的数据出现在SDATA引脚之前保持为低电平，以激发下一次转换。系统采用8.192MHz的石英晶振器为CS5101A提供时钟信号。3.2FPGA设计采集控制FPGA的全局时钟频率为20MHz，其主要的I/O引脚包括3组CS5101A的控制信号和ADG407的通道选择信号，以及与光纤接口通讯用的32位数据总线、8位地址总线、读写控制线和采集开始/结束信号。信号具体描述如下。SCLK：ADC串行转换结果在此输入信号的下降沿变化，在上升沿有效。SDATA：在SCLK的下降沿输出数据位，可在SCLK的上升沿对数据进行有效锁存。/HOLD：该引脚的下降沿将CS5101A设定为保持状态并触发一个转换。/STBY：在ADC复位后指示校准状态。在校准期间保持低电平，校准完毕返回高电平。/RST：低电平复位。回复高电平时触发一完整的校准序列波。校准时忽略/HOLD信号。CH1//2：ADC内部的2个模拟输入通道的控制线。ADCx_SEL[2:0]：用于模拟多路复用器（多路开关）输入通道选择的控制线。如图2所示，此FPGA顶层可分为3部分：全局控制模块F_ADC_ctrl、对应3个采集子单元的控制模块Sub_ADCx_ctrl（x＝1～3，下同）和DPRAM模块。其中F_ADC_ctrl模块检测来自光纤接口的采集触发信号（F_ADC_start），并依此产生Sub_ADCx_ctrl子模块的开始工作信号（Sub_ADCx_start），在接收到这三个子模块返回的转换结束信号（Sub_ADCx_done）后，向光纤接口发出采集结束信号（F_ADC_done）以通知远程伺服控制板卡读取采集结果，完成一次伺服周期的数据采集。在DPRAM模块内实现所有寄存器。分别控制3个采集子单元的Sub_ADCx_ctrl子模块是该FPGA的核心，每个模块可进一步细分为Sub_ADCx_Channel_sel模块和Sub_ADCx_Sample模块，这二者之间由Sub_ADCx_start_S2P信号协调时序关系。该模块的结构框图如图3所示。CS5101ASDATA输入Sub_ADCx_done并行转换结果Sub_ADCxSub_ADCx_Sub_ADCx__startchannel_selSampleSub_ADCx_start_S2P16DPRAM模块模块写地址CS5101A/HOLD控制信号（Sub_ADCx_HOLD）CS5101AADG407BP通道选择信号SCLK输出（ADCx_SEL[2:0]）CS5101A双通道选择信号（Sub_ADCx_CH1_2）图3第x组采集单元控制模块Sub_ADCx_ctrl其中，Sub_ADCx_Channel_sel模控制CS5101A的/HOLD信号时序（Sub_ADCx_HOLD）和双通道选择信号（Sub_ADCx_CH1_2）。工作状态如图4所示，其中/HOLD信号的高/低电平所维持的时钟周期数根据FPGA的全局时钟频率计算而定。Sub_ADCx_Sample模块则在Sub_ADCx_start_S2P信号的控制下输出全局时钟4分频的SCLK信号给CS5101A，并在SCLK的第66个上升沿完成采集结果的串并转换，同时输出与当前采集通道对应的地址给DPRAM模块，在SCLK的第70个上升沿产生对DPRAM模块的写使能信号Sub_ADCx_wr， 从而将16位采集结果写入DPRAM模块内的指定空间。完成写操作后由Sub_ADCx_Channel_sel模块向F_ADC_ctrl模块提交转换结束信号Sub_ADCx_done。判断Sub_ADCx_startSub_ADCx_startSub_ADCx_start=0=1CS5101不工作CS5101HOLD置1开始工作完成一个周期（1路转换）状态00状态10HOLD保持137个HOLD保持60个时钟周期高电平时钟周期低电平状态01HOLD保持20个时钟周期高电平图4Sub_ADCx_Channel_sel模块状态跃迁图DPRAM模块内部存储地址与采集/标定通道一一对应，实现对转换结果的预处理（如阀值比较等）和锁存。另一端通过32位双向数据总线和8位地址总线与光纤接口通讯，以实现远程伺服控制板卡读取模块内的转换数据和读、写寄存器。其中，写采集控制寄存器改变其特定位的电平输出可实现对通道标定和数据采集操作的切换，以及系统复位等功能。鉴于该采集系统对数据实时性的要求，在DPRAM模块中还建有一个16位延时寄存器（AD_delay_reg），其作用是提供F_ADC_ctrl模块内减1计数器的计数初值，以控制从检测到开始采集触发信号F_ADC_start到指令3个采集子模块真正开始采集之间的延时。对于有固定伺服周期T的伺服系统而言，完成一次全通道采集的时间A和数据处理的时间D相对稳定，则可由C＝T－A－D得出预期延时时间，如此可保证采集结束和数据读取之间的时间间隔最小化，达到获取实时采集数据的要求。4FPGA模块控制时序图5为针对Sub_ADC1_Channel_sel模块的仿真时序，结果显示了该模块能够准确产生CS5101A内双通道选择信号CH1_2、/HOLD信号以及多路开关的控制信号。图5Sub_ADCx_Channel_sel模块仿真时序图6为针对Sub_ADC1_Sample模块的仿真时序，波形包括了该模块的两个完整工作周期，结果显示该模块能够在协调信号的触发下准确输出SCLK时钟和对DPRAM的写使能信号，以及待写入DPRAM的并行转换数据。图6Sub_ADCx_Sample模块仿真时序5结束语本文提出了一种以FPGA为核心控制CS5101A模数转换芯片实现多通道高精度数据采 集系统的方案，并详细说明了电路和FPGA的设计方法。经过长时间测试，该采集系统各通道高速数据流能够正确采集和存储，工作稳定，且通道标定功能的实现使设计达到了期望的12位有效数位的精度要求，现已应用于某高速高精IC设备上。参考文献[1]黄新财,佃松宜,汪道辉.基于FPGA的高速连续数据采集系统的设计.微计算机信息,2005,(02),P58-P59[2]陈武福，胡修林，陈钧，张兵山.基于FPGA技术的多路并行实时数据采集系统.华中理工大学学报，1999，(03)[3]王天明.多通道通用数据采集系统的设计与实现.哈尔滨工程大学，2003作者简介：万耀（1981-），男，汉族，硕士研究生，机械电子工程专业，主要从事嵌入式控制系统、信号采集与处理等方面的研究。李小清（1965-），男，汉族，讲师，机械电子工程专业，主要从事数控技术等方面的研究。周云飞（1956-），男，汉族，教授，博士生导师，机械电子工程专业，主要从事数控技术、CAD/CAM及微机电系统等方面的研究。潘海鸿（1966-），男，壮族，副教授，机械电子工程专业，主要从事数控技术等方面的研究。WANyao,male,bornin1981,Han,Master,mechanicalelectronicsspecialty.Nowengagedinembeddedcontrolsystem,signalsamplingandprocessing.LIxiao-qing,male,bornin1965,Han,instructor,mechanicalelectronicsspecialty.Nowengagedinnumericalcontroltechnology.ZHOUyun-fei,male,bornin1956,Han,professor,mechanicalelectronicsspecialty.Nowengagedinnumericalcontroltechnology,CAD/CAMandMEMS.PANhai-hong,male,bornin1966,Zhuang,associateprofessor,mechanicalelectronicsspecialty.Nowengagedinnumericalcontroltechnology.本文作者创新点：在多通道数据采集系统中以对采集通道的标定来保证采集精度，同时在FPGA中引入延时寄存器以实现系统获取实时采集数据。电路上和FPGA程序均采用模块化设计，易于根据要求通过复制采集路径和控制子模块加以扩展。注：本人目前在上海做课题，所以现在的通讯方式如下：通讯地址：上海浦东张江张东路1525号上海微电子装备有限公司邮编：201203Email：ranger1981@sina.com