多通道数据采集系统设计

发布者:柳絮轻风最新更新时间:2012-08-13 来源: 电子科技 关键字:数据采集系统  FPGA  DSP  FIFO 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章
    在以往数据采集系统中,单片机、DSP常被选作主控制器,但随着FPGA性能的不断提高,具有时钟域高、内部延时小、速度快、全部逻辑南硬件完成等优点,因此在高速数据采集方面FPGA有着较大优势,但也存在难于实现复杂算法的缺点。而DSP适合于高速算法的处理,系统采用FPCA+DSP方案,弥补了系统的不足。系统数据采集的控制、缓存及外围通讯部分,用FPCA硬件实现。算法处理由DSP完成。在线采集的数据存放在DSP外挂的SRAM中。
    设计采用DE2、THDB-ADA平台进行开发。DE2平台选用FPGA EP2C35F672。THDB-ADA是针对DE2开发板设计的一款子开发板,由FPGA实现对A/D的控制。在系统中只用到了模块的A/D转换部分。其中芯片AD9248是一款双通道模数转换器。另外DSP选用TI推出的TMS320UC5402

1 系统设计
    数据采集系统硬件原理如图1所示,由图1知DSP收到上位机发送的命令完成系统工作参数的配置,然后向FPGA发送指令,FPGA收到指令后一是对多路模拟开关进行选通让选通信号通过信号调理电路实现电平调整,并进行A/D转换的时序控制,二是把转换好的数据进行数据缓存,当FIFO满时并产生DSP能识别的外部中断信号及标识信号,通知DSP采集数据,最后DSP对采集到的数据进行滤波处理、变换、谱分析。

a.JPG



2 硬件设计
2.1 通道切换电路
    系统采用16通道ADG506模拟开关进行各通道的切换。并具有开关速度快、泄漏小等特点。主要有A0~A3,S1~S8,D,EN端口。其中A0~A3是二进制地址信号输入端,译码结果用于选择有效的输出通道;S1~S16是16路信号的输入端,在此可根据需要选择通道数。D是被选择通道的信号输出端;EN是选择开关使能控制端高电平为有效。FPGA通过数据帧来进行通道选择,每次只选择一路,经A/D转换后送入FIFO。

b.JPG


    图中,A0~A5表示所选择通道,其中A4,A5恒为0。D0~D1表示帧结构数据起止标识位。
2.2 信号调理电路
    信号调理电路对模拟信号进行一定的放大/衰减,使信号的幅度满足A/D芯片要求。前向调理电路采用高速低噪声的模拟开关MAX4545去选择不同的反馈电阻,同模拟运算放大器MAX817构成标准的反相运算放大器来实现前向调理。MAX817的单位增益3 dB,截止频率高达50 MHz,满足带宽的要求。MAX4545的4根控制线由FPGA设计控制电路去控制,具体是由复位按钮进行边沿触发,使4位输出电平在0001,0010,0100,1000之间轮流切换,将输出电平去控制MAX4545的4根控制线,这就实现了不同的放大倍数之间切换,控制信号与放大倍数的对应关系,如图3所示。

c.JPG


2.3 滤波电路
    系统接收到的模拟信号总是混有噪声成分,为达到奈奎斯特采样定理所要求信号的频率范围,需要利用低通滤波器除去干扰信号及抑制混叠现象,即进行衰减与滤除。设计选用二阶巴特沃斯低通滤波电路来滤除信号中的高频分量,其特点是通频带内的响应曲线最大限度平坦,无起伏,而在阻频带逐渐衰减为0.2阶的巴特沃斯低通滤波器幅频。
2.4 FPGA硬件电路设计
    FPGA作为接口电路主芯片,充当DSP的前端接口元件,将各种信号转换为DSP能读取的并行格式数据。
    FPGA的开发采用自顶向下的设计方法,即指将一个系统按功能划分为不同的模块,而模块再根据需要划分为二级模块,依此直到模块易被实现为止。通过Verilog编程FPGA即可生成双口SRAM模块、ADC接口模块、调理电路放大倍数控制模块、数据接收模块等,以实现对输入信号的采集、存储、处理和输出。[page]

2.5 DSP硬件电路设计
    在数据采集过程中,采集的数据缓存在FPGA内部构建的FIFO中在线采集时,通过FPGA与DSP接口将FIFO中的数据转存到DSP外挂的SRAM内,当需要分析数据时再从存储器中取出。DSP外挂Flash存放程序及配置信息。

3 软件设计
3.1 FPGA软件设计
    数据在传入FPGA后,直接采用数据在传入FPGA后,可利用SRAM来设计的同步FIFO来缓存采样数据如图4所示:将FIFO抽象为环形数组,并用读或写指针来控制对环形数组的读写。该FIFO提供读使能fiford和写使能fifowr输入控制信号,并指示FIFO的状态非空nempty,非满nfull。未完成一次读写操作地址加1。随着地址的增加,采样数据被依次存入双口SRAM中,当存完数据后向DSP发出信号。

d.JPG


    ADC接口模块主要由分频器、通道选择模块及ADC控制模块组成。分频器一方面产牛ADC控制模块的工作时钟,另一方面提供采集启动信号以触发通道选择模块。通道选择控制模块,输出地址信号到多路开关,用来选择采集对应通道的数据信息。该模块由分频器产生的采集信号触发启动。ADC控制模块,主要完成模数转换器的配置与渎取。根据通道选择模块发出的A/D启动信号,按照配置信息对选择的通道进行A/D转换。该模块的数据接收触发信号在一次A/D转换结束后该信号有效,表示开始接收转换结果。为提高准确性,采取平均值滤波的方法,随后将结果输出至寄存器阵列,同时向通道选择模块输出数据有效信号,表示该通道数据采集结束数据有效。
3.2 DSP软件设计
    DSP软件设计包括模块化编程,其中包括初始化模块、数据采集模块、通讯模块、FFT功能模块等。
    初始化模块涉及锁相环的初始化,Flash的初始化、SRAM的初始化等一锁相环的初始化,系统中PLL输入时钟为50 MHz的晶振,输出时钟为两个,一是DSP内部时SYSCLK1二是EMIF3。为得到这两个时钟而进行初始化。Flash的初始化,EMIF接口对于异步器件的控制通过A1CR来实现,主要根据Flash参数设置数据位宽、读写建立时间、读写选通时间以及读写保持时间。SRAM的初始化,即完成对EMIF内部关于SRAM参数寄存器的初始化。
    DSP对数据采集控制主要通过查询与中断两种方式进行。该系统是通过巾断方式进行,即指当FIFO满时产生一个高电平中断。其主要流程由系统初始化和开启中断组成。
    初始化程序完成对所有变量及DSP相应寄存器的初始化工作,同时复位SRAM,并完成采集通道及量程的设置,随后开启中断,进入等待中断状态。当检测到中断时进入中断服务程序,并查询FPGA相关寄存器确定是哪一通道的中断,并将数据存于SRAM中。
    UART在FPGA内部实现,但接收数据的是DSP。DSP接收数据时UART采用中断方式,即由UART接收FIFO满产生中断通知DSP读取信息。
    DSP对采集到的数据进行滤波处理、变换、谱分析,下面以FFT为例对信号进行谱分析。FFT算法基本可分为两大类时域捕取法FFT和频域抽取法FFT。在设计中选择简单实用的时域抽取基二FFT算法。并采用基二的突发输入输出结构。如图5为采样信号经过采样点为512的信号频谱图。

e.JPG


3.3 FPGA与DSP的接口设计
    FPGA与DSP两者之间的通信,可分为DSP到FPCA为写操作,FPGA到DSP为读操作。DSP发给FPGA的配置信息为通道切换电路的选通信号,各通道数据采集使能信号及清零信号,UART的数据格式及中断源设置等。FPGA返回给DSP的信息主要有数据采集存储的窄满标志,实际采集的数据,UART的中断信息等。

4 结束语
    提出了一种基于FPGA+DSP的高速多通道数据采集系统设计方案,将FPGA及DSP的优势充分结合,并针对间歇性数据传输特征,设计以FIFO作数据过渡。该系统经过测试,工作稳定,满足采集速度及A/D转换精度的要求。

关键字:数据采集系统  FPGA  DSP  FIFO 引用地址:多通道数据采集系统设计

上一篇:基于AD7762和FPGA的数据采集系统设计
下一篇:嵌入式存储器以及BootLoader的一些总结

推荐阅读最新更新时间:2024-03-16 13:05

变电站RS485数据采集系统
概述 现在一些变电站的数据采集中,有相当一部分 设备 是在使用RS485接口,RS485具有结构简单、通信速率高、组网方便等等优点,仍然是变电站内一种重要的通信方式。 甲方 在某变电站项目中,站内使用的测控装置大部分使用RS485接口总线与控制室通信。因考虑到变电站内电磁干扰、电位差等因素会对RS485总线的稳定性产生影响,所以在控制室与测控装置之间全部使用光纤连接,设备使用ME-M277-M光纤MODEM,并在控制室将所有RS485接口并联。 拓扑图 产品选择 在此变电站内使用的是上海兆越ME-M277-M光纤调制器。ME-M277系列是多功能的支持异步RS-232,RS-422,RS-485通信接口的光纤调制解调器.
[嵌入式]
基于DSP的ILS机载接收机基带信号处理
1 引 言 着陆是飞机航行过程中最为重要的一个阶段,据统计,超过60%的飞行事故发生在飞机的着陆阶段。这是因为在着陆过程中,要求飞行员必须在比较短的时间内完成很多标准化的操作。而依靠目视着陆,对气象条件要求较高,一般要求飞行高度300 m时,水平能见度大于4.8 km,否则难以保障安全着陆。因此为了保证飞机能在恶劣气象条件下能够安全着陆,必须使用无线电导航系统为飞机提供高精度的定位引导信息,实时给出飞机与给定下滑航道的偏差程度。而仪表着陆系统(Instrument Landing System,ILS)是当今世界上应用最为广泛的无线电着陆引导设备之一。 常规的ILS系统机载导航接收机基带处理部分是采用模拟电路实现的,电路复杂;
[测试测量]
基于<font color='red'>DSP</font>的ILS机载接收机基带信号处理
ADI计划关闭其奥斯汀DSP设计中心
亚德诺公司(ADI)美国时间12月3日透露了其关闭奥斯汀DSP设计中心的计划,并会因此裁员约20人。 尽管ADI公司业绩强劲,但上周仍计划削减支出。“经济衰退意味着你必须决定在哪花钱,”ADI公司营销总监Rob DeRobertis表示,“而现在是时候作出一些决定了。” 奥斯汀中心的20名工程师一直在开发基于流行的Blackfin架构的处理器,这项工作计划将被整合至ADI总部,即马萨诸塞州的Norwood。DeRobertis说,ADI公司仍致力于其DSP的产品线,但同时强调有必要提高效率,其指出,“如果削减你的开销就会呈现一个更好的经济规模” ADI公司裁员是基于宏观经济因素的影响,而不是公司衰退的
[嵌入式]
基于DSPFPGA的电视观瞄系统设计
   引言   许多光学观瞄系统都增加了电视、红外辅助(周视)观瞄系统,称之为光电观瞄系统。在该系统中,需要用电视或红外成像来精确瞄准目标,但光电系统所在的平台总是处于运动状态,成像器件产生的图像也就随之运动,通过CCD成像器件或红外成像器件得到的图像不能保证观瞄精度。因此,克服平台运动造成的成图像旋转是解决观瞄精度的关键技术之一。目前的常用方法是机械消像旋,很多要求较高的光学系统仍然采用该方案,随DSP及 FPGA 的广泛应用,电子消像旋也应用到了光学观瞄系统上。   这两种方案各有优缺点:机械消像旋可以保证视场不受影响,观瞄精度由成像器件和光学系统决定,缺点是需要一套精密的机械 控制 系统,对小型化的光学观瞄系统而言,有
[应用]
基于FPGA的高压交联电缆测试电源的研制
摘要:分析了串联谐振的原理并通过推导得出谐振电容两端电压的关系式,结合目前国内高压电缆耐压测试的发展现状,证明了变频串联谐振试验方法的优越性。对于控制部分,利用现场可编程门阵列(FPCA)实现了自动频率跟踪,使得整套系统的控制精度得以提高。经测试结果表明,研制的耐压测试电源样机具有操作简单、控制方便、体积小、重量轻等优点,在输出功率为6 kW的情况下,可以使电缆试品上承受的电压稳步升高到18 kV,满足了18 kV以下交联聚乙烯(XLPE)电缆的耐压测试要求。 关键词:电源;耐压测试;串联谐振;自动频率跟踪 1 引言     近年来,XLPE绝缘电力电缆已经取代油纸绝缘电力电缆,并逐步取代PVC绝缘电力电缆和充油电力电缆,且电压等
[电源管理]
基于<font color='red'>FPGA</font>的高压交联电缆测试电源的研制
G.723.1在DSP数字对讲机基带系统中的应用
  随着通信技术的发展,传统的模拟对讲机已不能满足人们的需求,对讲机数字化势在必行。信息社会的高速发展使频谱资源变得愈加宝贵,信道利用率成为一项关键因素。如何在有限的信道资源下,通过压缩信源以提高传输效率,已成为当前急需解决的问题之一。DSP数字信号处理器的运算能力越来越强,本设计采用TI公司的通用定点DSP TMS320C5509A作为基带系统的处理器,主要对G.723.1语音压缩编码在频带、DSP资源有限的数字对讲机基带系统中的具体应用进行研究与实现。   1 G.723.1语音压缩编码原理   G.723.1标准主要用于对语音及其他多媒体声音信号的压缩。该算法是H.324系列标准的一部分,包含2种工作速率:低速率(5.3
[嵌入式]
FPGA在微型投影仪中的设计应用
 一种新型、仅手掌大小的便携式视频 投影仪 正快速地在越来越多的商务人士中流行开来。这种称为微型投影仪的小型设备,使用了新型投影技术,可以随时随地在任何平整的平面上显示静止或移动的图像。它们将广泛替代移动电话、数码相机和PDA上的LCD显示屏,目前这些设备的显示屏难以供多人一起观看。而使用微型投影仪之后,商务演示、简短视频或者家庭照片都可以方便地与观众一起共享。图1是微型投影仪的一个使用示例,如图中所示,它正被用于向客户展示一处不动产的照片。      图1:微型投影仪使用示例。   目前,由于微型投影仪的价格昂贵,因此难以在各行业中普遍使用,但随着价格的下降,使用微型投影仪的消费类应用将会大量涌现,并且它将成为便捷
[嵌入式]
<font color='red'>FPGA</font>在微型投影仪中的设计应用
采用MSC1210Y5实现灯船水文气象实测数据采集系统的设计与应用
1 、引言 以MSC1210Y5为核心的数据采集部分在工作时投放与水下、工作在无人值守的自容方式。由于海洋环境恶劣,所以仪器必须具有很好的可靠性及精确度,否则,就有可能给航行在测点附近海域的船舶提供不准确的海洋环境参数,在灯船水文气象实测数据自动显示助航系统水下分机的设计中,成功应用了具有增强型8051内核微控制器和闪存的精密模数转换器MSC1210Y5,避免了微控制器和AD转换电路的单独分立设计,简化了电路,降低了功耗,增强了可靠性,提高了整个系统的工作速度。 2 、MSC1210Y5的特性 MSC1210Y5是TQFP-64封装的低功耗完全集成混合信号IC,供电电压为2.7V-5.25V,它具有高精度的积分型模数转换器,A
[单片机]
采用MSC1210Y5实现灯船水文气象实测<font color='red'>数据采集系统</font>的设计与应用
小广播
添点儿料...
无论热点新闻、行业分析、技术干货……
设计资源 培训 开发板 精华推荐

最新单片机文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved