基于FPGA 的数据采集系统设计

　　摘要：结合高速FPGA的特点, 设计了一套数据采集系统。该系统以FPGA作为采集系统的, 应用FPGA的内部逻辑实现时序控制,对数据进行采集、显示,并将处理后的结果通过USB口传输到上位机。该系统具有电路结构简单、功耗低等优点, 可用于温度、压力等传感器信息以及电压、电流的数据采集。

　　1 引言

　　在科学技术研究和工业生产的各行业中, 常常需要对各种数据进行采集, 如液位、温度、 压力、频率等信息的采集。随着数字技术的发展, 一些高性能的FPGA (Field Programmable Gate Array)和高速的A/D 应用于数据采集系统中, 大大提高了系统的测量、数据采集处 理速度、数据传输速度等。本文设计了一种应用EP1K10TC100 FPGA 和单片机的数据采集 系统。该系统具有数据采集速度高、功耗低、数据传输方便等优点。

　　2 设计设计

　　基于 FPGA 的数据采集系统的总体功能模块如下图1 所示。系统有由FPGA、串行被动 配置模块、USB 通信模块、电源模块、显示模块、模数转换模块、数模转换模块等几个模 块组成。

　　主控芯片采用ACEX1K 系列的EP1K10TC100-3。ACEX 系列是当今Altera CPLD 中应 用前景的器件系列之一[1,2]，该系列的FPGA 由逻辑阵列块LAB（Logic array block）、 嵌入式阵列块EAB（embedded array block）、快速互联以及IO 单元构成，每个逻辑阵列块 包含8 个逻辑单元LE（logic element）和一个局部互联。每个逻辑单元则由一个4 输入查找 表（LUT）、一个可编程触发器、快速进位链、级连链组成，多个LAB 和多个EAB 则可通过快速通道互相连接[3]。EAB 是ACEX 系列器件在结构设计上的一个重要部件，他是输入 端口和输出端口都带有触发器的一种灵活的RAM 块，其主要功能是实现一些规模不太大的 FIFO、ROM、RAM 和双端口RAM 等。

　　3 系统硬件设计与实现

　　3.1 数据采集模块

　　系统数据采集采用DAC0832。ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨 率、双通道A/D 转换芯片，分辨可达256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内 部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V 之间。芯片转换时间仅为 32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独 立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过控制数据输入端，可以 轻易的实现通道功能的选择。

　　FPGA 的 I/O 口直接与DAC0832 连接[4]，通过VHDL 语言配置FPGA 芯片，以达到对 DAC0832 数模转换的时序控制。ADC0809 与FPGA 的连接电路比较简单，只要把控制引脚 和数据输出引脚连接到 I/O 口上。

　　3.2 串行被动配置模块

　　因为基于SRAM 工艺FPGA 存在掉电易失性特点，所以配置模块的主要是在每次上电 后对FPGA 进行重新配置[4]。编程文件可以放在通用程序存储器中, 在FLEX 器件上电后, 由芯片外部控制器自动地从通用存储器中读出编程文件并送到FLEX 器件进行配置, 数据传 送方式可以为串行,也可以为并行。被动串行（PS）配置模式的配置接口连接到芯片的5 个 引脚，分别为：nSTATUS、nCONFIG、CONF_DONE、DCLK、DATA0。 ICR 电路原理如图2 所示。

　　ICR 控制电路的工作过程为：经MAXPLUS II 编译生产的配置文件(.sof)通过格式转换 成为 (.rbf)。然后，通过PC 机的串行通信口，经AT89C2051 单片机控制存储在AT24C256 中。单片机再根据系统的要求，通过P1.2、P1.3、P1.4、P3.0 和P3.1 等5 个I/O 口，将其存 储在AT24C256 中的配置数据到电路中的FPGA 器件中去。

　　3.3 USB 通信模块

　　USB 接口芯片采用ISP1581。该芯片全面符合USB2.0 规范，具有高速的并行通用接 口，可在高速模式下工作，理论传输速度达到480Mbps[5]。除了控制端点外,ISP1581 还 有7 个输入( IN) 端点和7 个输出( OUT)端点。每个端点可以灵活配置数据传输方式以及数 据缓存区( FIFO) 的大小, 端点FIFO 容量可以达到2KB。ISP1581 芯片在配置枚举时 需要单片机固件的支持, 一旦正确完成了配置和驱动加载, 单片机对于ISP1581 芯片就如同 普通存储器一样可以进行读写操作, 以发送或接收数据。

　　3.4 显示模块

　　LED 采用四位共阳极数码管显示。共阳极四位一体数码管采用动态扫描工作方式，在 数码管中每一位的字段位a、b、c、d、e、f、g 和dp 分别连接在一起，其工作原理与共阴 极数码管工作原理一致，只不过共阳极输入数码管的发光电平（有效电平）是0，和共阴极 数码管相反。在数码管显示电路中运用了一个驱动芯片74LS47，运用这个驱动主要解决如 下几个问题：(1)电平正负转换，（2）译码，可以节约I/O 口的占用。74 LS47 接受四位BCD 码输入，并通过7 个与/或门译码后输出，用于驱动数码管，其输出的低电平驱动共阳极数 码管，低电平输出电流在24mA 以上。

　　3.5 电源模块

　　该设计中内核电压和I/O 口电压都采用2.5V.因为该芯片对电源要求很严格，所以通过 稳压块来实现电源转换。在该电路中通过一片1117-2.5 稳压块由5V 转化而来。电路连接便 捷简单，输出电流可以达到1A,基本上能满足该系统的需求。

　　4 被动串行配置程序设计

　　PS 配置方式的时序图如图3 所示。

　　配置前必须先设置该芯片EP1K10TC100-3 上的模式选择引脚MSEL1、MSEL0。 设置方式：当MSEL1＝0，MSEL0＝0 时系统为PS 或AS 模式当MSEL1＝1， MSEL0＝0 时系统为PPS 模式，当MSEL1＝1，MSEL0＝1 时系统为PPA 模式。在这里设置成使MSEL1 ＝0、MSEL0＝0 在PS 配置过程中：当nCONFIG 产生下降沿脉冲时启动配置过程，在DCLK 上升沿， 将数据移入目标芯片中。

　　在配置过程中，系统需要实时监测，一旦出错，nSTATUS 将被拉 低，系统识别到这个信号后，立即重新启动配置过程。配置数据全部正确地移入目标芯片内 部后，CONF_DONE 信号跳变为高，此后，DCLK 必须提供几个周期的时钟（具体周期数 与DCLK 的频率有关），确保目标芯片被正确初始化，进入用户工作模式。配置流程图如图 4 所示：

　　图4 被动串行配置流程图

　　5 总结：

　　本文创新点: 系统采用ACEX1K 系列的EP1K10TC100-3 FPGA 作为控制和处理的, 简化了系统的硬件设计, 具有功耗低、速度快等优点；采用基于微控制器的FPGA 器件的 ICR 控制系统，具有线路结构简单、开发容易、体积小、成本低的优点；采用USB 与上位 机通信，代替传统的串口数据传输, 提高了数据传输速率和可扩展性，而且USB 可以总线 供电,在数据采集系统中耗电量小。

  

参考文献:

[1]. ACEX1K  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ACEX1K+_1307867.html.
[2]. EP1K10TC100-3 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EP1K10TC100-3_2529519.html.
[3]. ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[4]. DAC0832 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DAC0832_253651.html.
[5]. ADC0832  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADC0832+_123000.html.
[6]. ADC0809  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADC0809+_123186.html.
[7]. PC  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PC+_2043275.html.
[8]. AT89C2051  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89C2051+_810086.html.
[9]. AT24C256  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT24C256+_1128512.html.
[10]. ISP1581 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ISP1581_410269.html.
[11]. 74LS47 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/74LS47_1134230.html.
[12]. BCD  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/BCD+_1225719.html.