基于FPGA的高速数据采集系统的设计方案

　　摘要：本设计采用了以FPGA作为主控逻辑模块，从而实现了数据的硬件采集。设计中采用了自顶向下的方法，并将FPGA依据功能划分为几个模块，详细介绍了各个模块的设计方法和功能。FPGA模块设计采用VHDL语言，在QuartusⅡ中实现了软件的设计和仿真。整个系统可以实现6路工作频率是40kHz的模拟信号的采集和6路内部通信信号以实现自检的功能。

　　1.引言

　　传统的数据采集系统，通常采用MCU或DSP作为控制模块，来控制A/D,存储器和其他一些外围电路。这种方法编程简单，控制灵活，但缺点是控制周期长，速度慢。特别是当A/D本身的采样速度比较快时，MCU的慢速极大地限制了A/D高速性能的使用。MCU的时钟频率较低并且用软件实现数据的采集，软件运行时间在整个采样时间中占的比例很大，使得采样速率较低。

　　随着数据采集对速度性能的要求越来越来高，传统的采集系统的弊端越来越明显。本设计采用FPGA,各模块设计使用VHDL语言，其各进程间是并行的关系。它有MCU无法比拟的优点。FPGA的时钟频率高，全部控制逻辑由硬件完成，实现了硬件采样，速度快。

　　2.系统的总体设计

　　本数据采集系统，采用FPGA+MCU的结构，主控逻辑模块用FPGA来实现，在系统中对A/D器件进行采样控制，起到连接采样电路和MCU的桥梁作用，数据处理、远程通信及液晶显示控制等由MCU来完成。FPGA把传统的纯粹以单片机软件操作形式的数据采集变成硬件采集。

　　首先用VHDL语言来设计状态机，用MCU来启动状态机，使其控制A/D器件，实现数据采集。并将采集到的数据存储到FPGA内部的数据缓存区FIFO中。当FIFO存储已满时，状态机控制FIFO停止数据写入，并通知单片机取走采集数据进行下一步处理。这种设计思想大大减轻了单片机的软件运行时间，提高了采集速率。这里，把6路模拟信号采集任务作为快任务，把用于系统自检的6路检测量信号作为慢任务。为了使快任务的优先级高于慢任务，本系统设计两个状态机分别实现快任务和慢任务的数据采集，并由单片机生成PWM波，分别控制两个状态机。系统的总体框图如图1所示：

　　

　　3.系统主要器件的选择

　　3.1 FPGA芯片选型及依据

　　FPGA实现主控逻辑控制，要求响应速度快，效率高。可采用ALTERA公司的ACEX1K系列EP1K5O芯片，工作频率可达250MHz.

　　该系列芯片的特点是将LUT（查找表）和EAB（嵌入式阵列）相结合，提供了效率而又廉价的结构。基于LUT的逻辑对数据路径管理、寄存器强度、数学计算或数字信号处理的设计提供优化的性能和效率，而EBA可实现RAM（随机读写存储器）、ROM（只读存储器）、双口RAM或FIFO（先人先出存储器）功能，使得ACEX1K适合复杂逻辑以及有存储、缓冲功能的数据采集系统。

　　3.2 ADC芯片选型及依据

　　数据采集系统的输入信号多数都来源于现场传感器的输出信号，传感器种类不一，致使信号特性也不同，各通道信号的幅度与频率范围有很大的不同，高的、大动态范围的A/D转换芯片使设计更能满足测量的需要。本设计中A/D转换模块选用的AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，转换速率：25us,内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。

　　4.FPGA方案设计

　　4.1 设计思想

　　用VHDL语言来设计两个状态机，状态机1来控制A/D实现快任务的采集，状态机2来完成慢任务采集。两个状态机的时钟信号CLK（高电平有效）均来自单片机生成的PWM波，状态机1直接由单片机控制，状态机2则是由单片机经反向器来控制。首先置P1.0口为高电平，并用定时器来产生中断，使P1.0口产生PWM波。当P1.0口为高电平时启动状态机1,此时状态机2不动作；当快任务采样完成后，由定时器产生中断，将P1.0口置为低电平，此时状态机2动作，来完成慢任务采集。下一个周期完成同样的操作。对应快任务的采集数据缓存在快任务FIFO,慢任务的采集数据缓存在慢任务FIFO里，单片机读对应的FIFO数据来进行相应处理。

　　4.2 各模块的设计

　　根据以上的设计思想，FPGA系统的硬件设计模块主要有状态机模块，FIFO设计模块[4-5].

　　下面具体给出硬件原理设计。

　　4.2.1 状态机的设计

　　该设计过程主要是建立采集所需要的硬件电路，等待时钟信号的到来便立刻启动A/D进行工作。了解了AD574A的工作时序，就可以写出状态机的采样控制状态。控制状态编码表如表1所示。

　　

　　用VHDL语言来实现状态机，其原程序：

　　

　　然后在Quartus Ⅱ 中进行仿真，仿真如图2所示：

　　

　　4.2.2 FIFO模块设计

　　利用FPGA中的EAB/ESB等嵌入式模块构成的LPM宏功能模块来生成LPM_FIFO.其编辑定制方法：

　　（1）进入QuartusⅡ，选择菜单File->TOOL->Megawizard Plug-In Manager,选择Create a new custom megafunctionvariation,选择FIFO.

　　（2）选择FIFO数据位宽度为12,深度为512.

　　（3）选择FIFO的端口：12位数据输入输出端口data[120]和q[120];对clock同步的数据写入和读出请求wrreq和rdreq;异步清零aclr;存储数据溢出信号full.

　　5.结论

　　本文完成高速、多通道的数据采集系统的FPGA设计。利用VHDL语言对FPGA进行设计，并在QuartusⅡ中进行系统仿真和验证。

　　由FPGA在线编程的特点，可以依据现场的具体情况，对FPGA的内部配置进行修改，进一步增加了系统应用的灵活性，因此该系统是一种比较理想的实时高速数据采集方案。（作者：蒋洪明）