基于FPGA 多通道数据采集系统设计.pdf

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1、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；F

2、PGA；CS5101A；标定；延时寄存器DesignofDataAcquisitionSystemBasedonFPGAWANyaoLIxiao-qingZHOUyun-feiPANhai-hong(HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan,430074,China)Abstract:Thispaperdescribesamulti-channeldataacquisitionsystemusingEP1K100serialsFPGAandCS5101AA/Dconverter.Thesystemachieves

3、acquiring40-routedifferentialanalogsignalswiththemaximalfrequencyof100KHzandtheprecisionof12bits,andalsoprovidesself-calibrationfunction.Atop-downmethodologyisusedinthedesignofFPGA.Thestatediagramsandsimulationwaveformsofmainmodulesarepresented.Keywords:FPGA;dataacquisition;CS5101A;

4、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

5、、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

6、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

7、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

8、。选用该高性能ADC芯片对实现采集系统