基于FPGA的数据采集控制模块设计
基于FPGA的实时数据采集系统设计
ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ ｉ ｎ ａ Ｖ ｅ ｒ ｉ ｌ ｏ ｇ Ｈ ｒｄ ａ ｗ ｒｅ ａ Ｄｅ ｓ ｃ ｉ ｒ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｌ ｎｇ ａ ｕ ａ ｇ ｅ （ ＶＨ Ｄ Ｌ ） ｉ ｆ ｌ ｅ ， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｃ ｏ ｒ ｅ ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｓ ａ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ． Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ａｌ ｔ
Ⅺ Ａ Ｘｉ ａ ｎ ｇ － ｌ ｏ ｎ ｇ ， ＣＨＥ Ｎ Ｊ ｉ ｎ － ｐ ｉ ｎ ｇ ， ＨＵ Ｃｈ ｕ ｎ — ｇ ｕ ａ ｎ ｇ （ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ， Ｔ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｔ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ３ ０ ０ ０ ７ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
谱仪 的 电子 控制 部分 ，提 出基 于现 场可 编 程 门阵列 （ Ｆ Ｐ Ｇ Ａ ） 的实 时控制 与数据 采 集系 统设 计方 案 。采 用硬 件 描述语 言和 Ｎ ｉ ｏ ｓ Ｉ Ｉ 软 核
处理器系统相结合的设计方式，实现 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ与计算机、探测器 的高速 ＵＳ Ｂ通信，与角度编码器的同步串行通信 ，以及探测器和角 度编码器之间的精确同步控制等功能，完成角度数据和光谱数据的实时采集 。实验结果表明，该系统的同步控制和数据采集性能
中田 分类号ｔ Ｔ Ｐ ３ １ ６
基于 Ｆ Ｐ ＧＡ 的 实 时数据 采 集 系统设 计
基于FPGA的高速数据采集系统设计
基于FPGA的高速数据采集系统设计随着科学技术的不断进步，数据采集系统在许多领域都发挥着重要作用。
为了满足高速数据采集的需求，基于现场可编程门阵列（FPGA）的高速数据采集系统设计应运而生。
本文将介绍这一系统的设计原理和关键技术。
首先，我们需要了解FPGA的基本原理。
FPGA是一种可编程的硬件设备，可以根据需要重新配置其内部逻辑电路。
这使得FPGA在数据采集系统中具有极大的灵活性和可扩展性。
与传统的数据采集系统相比，基于FPGA的系统可以实现更高的采样率和更低的延迟。
基于FPGA的高速数据采集系统设计主要包括以下几个关键技术。
首先是模数转换（ADC）技术。
ADC是将连续的模拟信号转换为数字信号的关键环节。
在高速数据采集系统中，需要使用高速、高精度的ADC来保证数据的准确性和完整性。
其次是FPGA内部逻辑电路的设计。
为了实现高速数据采集，需要设计高效的数据处理逻辑电路。
这些电路可以实现数据的实时处理、存储和传输等功能。
同时，还需要考虑电路的时序约束和资源分配等问题，以确保系统的稳定性和可靠性。
另外，时钟同步技术也是高速数据采集系统设计的重要内容。
在高速数据采集过程中，各个模块需要保持同步，以确保数据的准确性。
因此，需要设计合理的时钟同步方案，保证各个模块在同一个时钟周期内完成数据的采样和处理。
最后，还需要考虑系统的接口和通信问题。
基于FPGA的高速数据采集系统通常需要与其他设备进行数据交互，如计算机、存储设备等。
因此，需要设计合适的接口和通信协议，实现数据的传输和存储。
综上所述，基于FPGA的高速数据采集系统设计涉及多个关键技术，包括ADC技术、FPGA内部逻辑电路设计、时钟同步技术以及接口和通信问题。
通过合理的设计和优化，可以实现高速、高精度的数据采集，满足现代科学研究和工程应用的需求。
这将为各个领域的数据采集工作带来巨大的便利和发展空间。
基于FPGA的仿真系统数据采集控制器IP核设计
基于FPGA的仿真系统数据采集控制器IP核设计现代模拟仿真技术[1]广泛应用在系统设计、系统分析以及教育训练中。
在模拟过程中，存在大量向前端模拟装置或仿真模块发送指令数据，以及从模拟工作设备上读取状态参量的情况。
在对大型工业设备和系统进行模拟仿真时，数据采集控制的复杂程度愈加恶劣[2]。
通过改进数据采集控制器的结构，提高数据采集控制器的自动化和集成化程度，可以有效地提高大型模拟仿真设备数据采集和控制的效率。
FPGA 及SoPC 技术的发展为此提供了新的解决方案。
IP 核(IP Core)是具有特定电路功能的硬件描述语言程序，可较方便地进行修改和定制，以提高设计效率[3]。
本文研究了基于FPGA 的数据采集控制器IP 核的设计方案和实现方法，该IP 核既可以应用在独立IC 芯片上，还可作为合成系统的子模块直接调用，实现IP 核的复用。
1 系统结构数据采集控制器主要分为发送机制和接收机制两部分。
在传统的模拟仿真系统[4]中，发送机制负责将模拟仿真系统主机控制程序模拟运算的数据传给事先定义的变量，通过专用接口卡将其放在绝对内存地址单元中，再借助智能双端口的工控机将数据发至前端，以驱动前端设备(如仪表、显示灯等)进行显示，或使前端设备(如开关、阀门、步进电机等)进行动作；接收机制与之相反，即实时地将从前端工控机采集的模拟设备的动作量和状态量(包括模拟实际情况的温度量、压力量等)读到计算机内存地址单元中，并通过专写程序把这些变量值转换成主控程序所需要的数据。
前端设备种类繁多，因此实际中需有针对性地进行设计，以实现工控机对前端设备的控制。
此外，工控机与主机之间还必须通过专用接口进行通信，。
基于FPGA的高速数据采集控制模块设计
集控制模块具有性 能可靠、实时性强 、集成度 高、扩展 灵活等特 点 ，并且 通过试验验证 了其功能的正确性。 关键词 数据采 集；Ｆ Ｇ Ｐ Ａ；８ ／０ Ｂ １Ｂ编解码 ；光纤传输
Ｔ ７ ；Ｔ ２ ４２ Ｎ ９ Ｐ７ ． 文献 标 识 码 Ａ 文章编号 １０ ７２ （０２ ０ ０ ４—０ ０７— ８ ０ ２ １ ）５— １ ３ 中 图分 类号
．
在雷 达 、 信 、 通 气象 、 军事 监控 ห้องสมุดไป่ตู้环境 监测 等领 域 ，
块、 串并 转换 器后进 入 Ｆ Ｇ 作 为 采 集数 据 的帧 头部 Ｐ Ａ， 分 ， 帧 中 有 １ Ｂ ｔ 定 了采 样 的频 率 。上 位 机 向 该 ｙｅ决 ＦＧ Ｐ Ａ发送采 样 控 制 信 号 ： 样 导 前 信 号 以及 采 样 时 采 间长 度信号 。在 Ｆ Ｇ 中将 ８通道 采 集 的数据 以两 通 ＰＡ 道 为一组 分 成 ４份 分 别 与 帧 头 打 包 组 帧 ， 人 双 口 存 Ｒ Ｍ， Ａ 编码 处理 后 经过 并 串转 换 器 、 收发 模 块 发 送 光 出去 。模块 结构设 计 框 图如图 １所示 。
速度快 、 程配 置灵 活等特 点 ， 用其 作为核 心 控制 模 编 采
块 。因为 光纤通 信 使 用 简 单 的点 到 点 互 连 ， 具有 传 输
损 耗 低 、 输频 带 宽 、 率 高和 抗 电磁 干 扰 等优 点 ， 传 速 在
２ 硬 件 设 计
该 数据 采 集 控 制 模 块 主 要 由 ３部 分 组 成 ， 别 分 为模 拟 信 号 处 理 部 分 、 辑 控 制 部 分 和 光 纤 通 信 逻 部分 。
现场 信 号具 有重 要 的作 用 。这 些信 号 的主 要 特点 是 ：
基于FPGA的测控系统设计与实现
基于FPGA的测控系统设计与实现一、引言随着科技的发展，现代工程领域对于高精度、高速度、高可靠性的测控设备的需求也越来越大。
其中，基于FPGA的测控系统具有极高的灵活性和可扩展性，能够满足不同领域的测控需求。
本文将介绍基于FPGA的测控系统设计与实现，主要包括系统架构、硬件设计、软件编程等方面。
二、系统架构设计基于FPGA的测控系统一般由FPGA芯片、外设模块、存储设备和通信接口等部分组成。
其中，FPGA芯片作为核心部分，负责控制整个系统的运行。
外设模块提供不同功能的接口，如模拟采集、数字转换、时钟输入、GPIO等。
存储设备用于存储测量数据和程序代码。
在系统架构设计时，需要根据实际需求选择适合的外设模块和通信接口，以及合适的存储设备。
此外，还需要考虑不同模块之间的数据传输和控制信号，确定系统的总体布局和数据流图。
三、硬件设计基于FPGA的测控系统的硬件设计主要包括电路原理图设计、PCB设计和硬件调试等部分。
在电路原理图设计时，需要根据系统架构设计绘制不同模块的电路图，并考虑电路参数的选择和优化。
在PCB设计时，需要将电路原理图转化为布局图和线路图，并按照标准的PCB设计流程进行布线、加强电路抗干扰性、防止电磁辐射等操作。
在硬件调试过程中，需要用示波器、万用表等工具对电路进行调试和测试，确保电路稳定运行。
四、软件编程基于FPGA的测控系统的软件编程主要包括FPGA芯片的Verilog/VHDL编程、上位机程序的编写等内容。
在FPGA芯片的Verilog/VHDL编程中，需要根据不同外设模块的接口来编写对应的硬件描述语言代码，如时钟控制、数据输入输出、状态控制等。
在上位机程序编写中，需要使用不同编程语言（如C/C++、Python等）来编写程序，实现与FPGA芯片的通信、测控算法的实现、数据可视化等功能。
五、系统应用与实现基于FPGA的测控系统应用广泛，如测量、控制、自动化、通信等领域。
在实际应用中，需要根据具体的应用场景和需求来设计相应的测控系统，并进行相关智能算法的设计和调试。
基于FPGA的数据采集系统设计与实现
了异步传输 中跨时钟域造成的亚稳态问题 ［ ５ １ 。在本 数据采集系统的设计中采用异步 ＦＦ ＩＯ的方式来解
图 ２ 数 据 采 集 系统 数 据 流 程
决跨时钟域 的数据传输 问题 。因为本数据采集系统 是针对 Ａ Ｃ芯片的测试所用的， Ｄ 因此数据采集接 口 的数据率不是 固定 的 １０ Ｈ ｘ４ｉ 而 Ｄ Ｒ 控制 ５Ｍ ｚ５ｂ ， Ｄ ２ ｔ 器的用户接 口和 Ｇ Ｅ控制器接 口数据率是 固定的 ， 分别为 １０ Ｈ ｘ １ｂ 和 １５ ｚ ２ｉ ５ Ｍ ｚｌ２ｉ ｔ ２ＭＨ ｘ ｂ ，所 以选用 ３ ｔ 异步 ＦＦ ＩＯ可以使 系统更加灵活。
基于 Ｆ ＧＡ的数据采集系统设计与实现 Ｐ
张 泽 军 ， 平 分 林
（ 北京工业 大学 嵌入式 系统重点 实验 室， 北京， １ ４ １０２ ） ０
摘要 ： 设计 并 实现 了一种基 于 ＦＧ Ｐ Ａ的 高速 数据 采 集 系统 ， 端 系统 用于采 集 目标 Ａ Ｃ芯 片 的数 字输 出， 后 Ｄ 将 采集后 的数据传 输 至 Ｐ Ｃ机再 进行 分析 。数据 采 集 系统 采用 ＤＲ Ｄ Ａ 储 、 兆 以太 网 （ ｉａ ｉ Ｄ ２ＳＲＭ存 千 Ｇ ｇｂ ｔ
数据传输及控制。同时 ， 模块还负责 Ｇ Ｉ Ｆ Ｅ控制器、
图 １数 据 采 集 系统 框 图
Ｄ Ｒ Ｄ ２控制 器 的用户 总线及 外 部数 据采 集 接 口之间
ｈ¨ ｎ ． ｈ ｎ ｎＡ 、 ，ｍ ａ ， ， ｎ ／ ｓ Ａ ｉ， ；、 １ 、
Ｌ一设 — 计
巾国集成电路
Ｃｈｉ ｎａ ｎｔ Ｉ ｅｇ ｒ ｅｄ ｉｃｕ ｉ ａｔ Ｃ ｒ ｔ
块 ，其 功 能 相 当 于 一 个 Ｄ ＭＡ （ ｉ ｃ Ｍ ｍ ｒ Ｄｒ ｔ ｅ ｏｙ ｅ
基于FPGA数据采集控制系统的设计与实现
韩团军（ 陕 西理 学 院， 陕西 汉中 ７ ２ ３ ０ ０ １ ）
Ｈ ａ ｎ Ｔｕ ａ ｎ － ｊ ｕｎ （ Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ￣ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｈ ） ｇ ｙ ． Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｈａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ ７ ２ ３ ０ ０１ １
整体 比较稳 定， 采样具有较 高的精 度和速度 。 关键 词： Ｆ Ｐ ＧＡ； Ａ Ｄ Ｃ ０ ８ ０ ９ ； Ｄ Ａ Ｃ ０ ８ ３ ２ ； 有限状态机 中图分 类号： Ｔ Ｎ ７ ３ １ 文献标识码 ： Ａ 文章 编号 ： ｌ ０ ０ ３ — ０ｌ ０ ７ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ ０ ２ ８ — ０ ４
Ｃ Ｌ Ｃ ｎ ｕ ｍｂ ｅ ｒ ： Ｔ Ｎ７ ３ １
Ｄ ｏ ｃ ｕ ｍｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｄ ｅ ： Ａ
Ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ Ｉ Ｄ： １ ０ ０ ３ — ０ １ ０ ７ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ ０ ２ ８ — ４ ０
０引言
随着科学技术 的发展 ， 数据 采集 控制系统 已成 为电
平 台设计 数据采集控 制 主控 系统 。Ａ Ｄ Ｃ ０ ８ ０ ９ 作 为模数 转换 器 ， 用状态机方式来实现 Ａ Ｄ Ｃ ０ ８ ０ ９采样时序控制 ， 将 采集 的 电压 ｆ ／ １ 转 换成 ８位 二进 制数 据送 入 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ， 再将键 盘输入 的数据 Ｕ ２ 送入 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ，通 过运算将带极 性 的差值 ±Ａ Ｕ的绝对值送入数模转换 器 Ｄ Ａ Ｃ ０ ８ ３ ２ ， 通 过输 出极性信号控制继 电器 实现 Ｄ Ａ Ｃ ０ ８ ３ ２的参考 电压
摘 要 ：该设计使用 Ａ ｈ ｅ ｒ ａ 公司的 Ｃ ｙ ｃ ｌ ｎ ｎ ｅ 系列 的 Ｅ Ｐ ２ Ｃ ５ Ｔ Ｉ ４ ４ Ｃ ８ 作为主控器 ，采用 Ｖ Ｈ Ｄ Ｌ语言以及使用 Ｑ ｕ ａ ｒ ｔ ｕ ｓ — Ｉ Ｉ 一 ９ ． ０ 平 台设计 数据 采集控 制系统 。采用 Ａ Ｄ Ｃ ０ ８ ０ ９ 作 为模数转换器 ， Ｄ Ａ Ｃ ０ ８ ３ ２ 作 为数模转换器 ， 采用 四位一体共 阴极数码管作 为显示装置 。在程序 设计中 ， 用状态机控制 Ａ Ｄ Ｃ ０ ８ ０ ９来采样 ， 根据外部按 键 的状态来确定所需显示 的数据 通过改变 Ｄ Ａ Ｃ ０ ８ ３ ２的参考 电压 ， 实现 了 极性输 出。 测试结果表 明， 系统
基于FPGA的数据采集控制模块设计
基于FPGA的数据采集控制模块设计作者：孙炎辉丁纪峰来源：《现代电子技术》2009年第22期摘要:设计以FPGA为基础的数据采集控制模块,克服传统的以单片机或DSP作为控制器带来的采集速度和效率上的瓶颈,同时显示部分创新性地采用了VGA标准接口,大大提高了显示系统的兼容性。
设计的控制模块主要由四个部分组成:数据采集部分、数据缓存部分、按键控制部分和图形显示部分。
在设计过程中,用VHDL语言来编写程序,利用Max+PlusⅡ软件对各模块进行仿真。
从仿真结果可以看出,该模块能够实现数据的实时采集和采集结果的便捷显示,达到了作为数据采集主控模块对外围电路的良好控制。
关键词:数据采集;FPGA;VGA;状态机中图分类号:TP3320 引言数据采集和控制系统是对生产过程或科学实验中各种物理量进行实时采集、测试和反馈控制的闭环控制,它在工业控制、军事电子设备、医学监护等许多领域发挥着重要作用。
其中,数据采集部分尤为重要,而传统的数据采集系统,通常采用单片机或DSP作为控制器,用以控制ADC、存储器和其他外围电路的工作,使得采集速度和效率降低。
近年来,微电子技术,如:大规模集成电路和超大规模集成电路技术的发展,为数据采集系统的发展提供了良好的物质基础。
从而使器件向模块化和单片化发展,使所用软件均向实时高级语言和软件模块化发展,接口向标准化发展。
由于 FPGA时钟频率高,内部延时小,全部控制逻辑均由硬件完成,速度快,效率高,同时它有非常强大的硬件描述语言和仿真工具,方便检验结果的正确性。
基于以上考虑,在设计中采用FPGA作为控制处理器。
而VGA接口的设计,更突出了该模块的兼容性,更易于采集数据的直观表现。
1 系统总体设计方案完整的数据采集过程通常由数据的通道选择、采样、存储、显示构成,有时也要对数据进行适当的处理。
其中,控制模块起到了核心作用,他作为控制信号产生和处理的中枢对这些外围电路进行着实时的监控和管理。
基于FPGA的数据采集与处理技术的研究
基于FPGA的数据采集与处理技术的研究一、本文概述随着信息技术的快速发展，数据采集与处理技术已经成为现代社会中不可或缺的一环。
在众多的实现方式中，基于FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）的数据采集与处理技术凭借其高性能、高并行度、低功耗等优点，受到了广泛关注。
本文旨在对基于FPGA的数据采集与处理技术进行深入研究，探讨其基本原理、实现方法以及应用前景。
本文首先介绍了FPGA的基本概念和特点，阐述了基于FPGA的数据采集与处理的基本原理和优势。
接着，文章详细分析了FPGA在数据采集与处理中的关键技术，包括ADC（模数转换器）接口设计、数据处理算法优化、高速数据传输等。
在此基础上，文章还探讨了FPGA在不同应用场景下的数据采集与处理实现方法，如工业控制、信号处理、医疗诊断等。
本文还关注FPGA技术的发展趋势和未来挑战，如新型FPGA架构、可编程逻辑与硬件加速的融合、以及面向等复杂应用的优化等。
文章总结了基于FPGA的数据采集与处理技术的当前研究现状，并对未来的发展方向和应用前景进行了展望。
通过本文的研究，期望能够为读者提供一个全面、深入的了解基于FPGA的数据采集与处理技术的窗口，为推动该领域的发展提供有益参考。
二、FPGA技术基础现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）是一种灵活的半导体设备，它允许用户在生产后进行配置以执行特定的逻辑功能。
与传统的ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）不同，FPGA不需要复杂的定制设计流程，而是通过编程方式实现硬件设计。
这使得FPGA成为快速原型设计、系统验证以及灵活的数字系统设计的理想选择。
FPGA的基本结构由三种主要元素构成：可编程逻辑块（Programmable Logic Blocks, PLBs）、可编程输入/输出块（ProgrammableInput/Output Blocks, PIOBs）以及可编程内部连线（Programmable Interconnects, PIs）。
基于fpga的信号采集电路设计
基于fpga的信号采集电路设计
FPGA作为一种可编程逻辑器件，在信号采集电路设计中具有很高的灵活性和自适应性。
以下是基于FPGA的信号采集电路设计的步骤和考虑因素：
1. 确定采集信号的类型和范围，包括采集的电压、频率和信号形态等。
这有助于选择合适的FPGA型号和外部接口芯片。
2. 设计硬件电路，包括ADC芯片、时钟电路、滤波器等。
这些硬件电路需要兼容FPGA，并能够提供稳定且可靠的信号采集。
3. 根据硬件电路设计，编写FPGA的硬件描述语言(HDL)程序，包括FPGA的驱动和控制程序。
这些程序需要能够将采集到的信号转换成数字信号，并将其存储在FPGA的内存中。
4. 对FPGA进行仿真和调试，验证电路的正确性和性能。
这包括对硬件电路的功能测试和对FPGA程序的逻辑测试等。
5. 将FPGA程序烧录到FPGA中，实现信号采集的实时处理和存储。
此外，可以将FPGA与其他计算机或控制器等设备进行连接，以实现更加复杂的信号处理和控制功能。
在设计基于FPGA的信号采集电路时，还需考虑以下因素：
1. 采样率和带宽：选择合适的ADC芯片和时钟电路，以满足采样率和带宽的要求。
2. 噪声和信号失真：设计适当的滤波和放大电路，以减小噪声和防止信号失真。
3. 存储和传输：根据实际需求，选择合适的存储器和接口芯片，以保证数据的可靠存储和传输。
4. 系统可靠性和稳定性：考虑系统的可靠性和稳定性，采用合适的电路保护和参数调节措施，以防止电路故障和系统失效。
5. 开发工具和环境：选择合适的FPGA开发工具和环境，以提高开发效率和降低制造成本。
基于FPGA的多路数据采集模块硬件设计
Ｉ ｓ ｕ ｎ Ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｒ ｅｈ ｉｕ ｎ ｅ ｓｒ
２ ０ ０１
第 ３期
Ｎｏ ３ ．
基 于 Ｆ ＧＡ 的 多路 数 据 采 集 模 块 硬 件 设 计 Ｐ
李 鹏 ， 游春 。李锦 明 马 ， ，
摘 要 ： 了实现 对 ５ 路 模 拟 信 号 进 行 不 同频 率 的 采 集 ， 计 了一 种 以 现 场 可 编 程 门 阵 列 （ Ｐ Ａ） 为 ８ 设 Ｆ Ｇ 为核 心 的 多路 模 拟 信号采集模块。该模块采用 Ｆ Ｇ 芯片 Ｘ ２３ ＰＡ Ｃ Ｓ０作 为 系统 的核 心 控 制 器件 来 实 现 对 Ａ Ｄ 转 换 器 的 控 制 、 ／ 多路 模 拟 开 关 的
ｗ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ｏ ｉ ｌｍｅ ｔ ｈ ａ ａ ａ ｑ ｉｉ ｏ ｆ ｉ ｅ ｅ ｔ ｅ ｕ ｎ ｙ ｔ ｈ ８ ｃ ａ ｎ ｌａ Ｍｏ ｉ ｎ ｌ．Ｔ ｅ Ｆ ＧＡ ｃ ｉ ２ ３ ｆ ａ ｅ ｉｎ ｄ ｔ ｍｐ ｅ ｎ ｅ ｄ ｔ ｃ ｕｓｔ ｎ ｏ ｆ ｒ ｎ ￣ ｑ ｅ ｅ ｏｔ ｅ５ 一 ｈ ｎ ｅ ｎ ｇ ｓｇ ａ ｓ ｈ Ｐ ｈ ｐ ＸＣ Ｓ ０ ｏ ｔ ｉ ｄｆ ＸＩ Ｉ ｏｐ ｒ ｔ ｎ ｗ ｓ ｕ ｅ ｓ ｔ ｅ ｃ ｎｒ ｌｄ ｖｃ ｏ ａ ｈ ｅ ｅ ｔ ｅ ｆｌ ｗｉｇ ｆ ｎ ｔ ｎ ，ｔ ｅ Ａ Ｄ ｏ ｖ ｒ ｒｃ ｎ ｒ ｌ ｎ ｌｇ ｍｕ ｔ Ｌ ＮＸ Ｃ ｒ ｏ ａｉ ａ ｓ ｄ ａ ｈ ｏ ｔ ｅ ｉｅ ｔ ｃ ｉｖ ｈ ｏｌ ｎ ｕ ｃｉ ｓ ｈ ／ ｃ ｎ ｅｔ ｏ ｔ ，ａ ａｏ ｌ — ｏ ｏ ｏ ｏ ｅ ｏ ｉ ｐ ｅ ｅ ｓｃ ｎｒ ｌ ａａ ｃ ｄ ｎ ，ｔ ｅ ｃ ｎ ｅ ｓｏ ｆｔ ｅ ｐ ｒ ｌ ｌｄ ｔ ｏ ｓ ｒａ ｄ ｔ ｎ Ｏ ｏ ． Ｔ ｅ ｐ ｏ ｒｍ ｔ ｃｕ ｅ ｏ ｈ ｅ ｉｎ ｉ ｌｘ ｒ ｏ ｔｏ ，ｄ ｔ ｏ ｉ ｇ ｈ ｏ ｖ ｒ ｉｎ ｏ ａ ａ ｌ ａ ａ ｔ ｅ ｉｌ ａａ ａ ｄ Ｓ ｎ ｈ ｅ ｈ ｒ ｇ ａ ｓｒ ｔ ｒ ｆｔ ｅ ｄ ｓｇ ｓ ｕ ｆ ｘｂ ｅ ａ ｙ ｔ ｏ ｔｏ ，ｖ ｒ ｅ ｉｂ ｅ ｎ ｔ ｆｎ ｔ ｎ ｈ ｓ ｂ ｅ ａ ｉａ ｅ ｈ ｏ ｇ ｅ ｔ ｌ ｉ ｌ ，ｅ ｓ ｏ ｃ ｎ ｒ ｌ ｅｙ ｒｌ ｌ ，ａ ｄ ｉ ｕ ｃｉ ａ ｅ ｎ ｖ ｌ ｔ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ｔｓ． ｅ ａ ｓ ｏ ｄ Ｋｅ ｒ ｓ ｆ ｌ ｒ ｇ ａ ｙ ｗｏ ｄ ： ｅｄ ｐ ｏ ｒ ｍｍａ ｌ ａｅ ａ ｒ ｙ ａａ ａ ｑ ｉｉ ｏ ｉ ｂ ｅ ｇ ｔ ｒａ ；ｄ ｔ ｃ ｕ ｓｔ ｎ；ｄ ｔ ｏ ｉ ｇ ｉ ａａ ｃ ｄ ｎ
基于FPGA的高速数据采集卡设计与实现
基于FPGA的高速数据采集卡设计与实现随着科技的不断发展，电子信息技术的应用越来越广泛。
在现代制造业、通讯系统、医学影像等领域中，高速数据采集成为了一项不可或缺的工作。
因此，设计和实现一种高效、高精度的数据采集卡成为了当前电子信息技术研究的热点之一。
本文将介绍一种基于FPGA的高速数据采集卡的设计与实现。
一、高速数据采集卡基本结构高速数据采集卡通常由模数转换器（ADC）、时钟发生器、FPGA芯片、存储器、接口电路等组成。
其中，ADC负责将模拟信号转化为数字信号，时钟发生器负责为ADC提供时钟信号，FPGA芯片负责对数字信号进行处理和分析，存储器则用于存储处理后的数据，接口电路则是将数据输出到外部设备。
二、基于FPGA的高速数据采集卡设计1. ADC选择对于高速数据采集卡来说，ADC是其中最关键的组成部分之一。
ADC的选择与高速数据采集卡的性能有着密切的关系。
本设计采用了采样率为100MSPS的ADI公司的AD9265 ADC作为该高速数据采集卡的核心部件。
2. 时钟发生器时钟发生器为ADC提供高稳定性、高准确度的时钟信号，保证了ADC采集数据的稳定性和准确性。
本设计采用了凯瑞电子公司的CCHD-957时钟发生器，它可以提供高达100MHz的准确稳定时钟信号，从而保证了ADC的正常工作。
3. FPGA芯片在高速数据采集卡中，FPGA芯片是最核心的部分，它负责ADC采集到的原始数据进行处理和分析，并将其存储到存储器中。
本设计采用了Altera公司的Cyclone IV FPGA芯片，它具有高速、低功耗、灵活的特点，可以实现对高速数据的实时处理和分析。
4. 存储器存储器是高速数据采集卡中另一个非常关键的部分，它用于存储FPGA处理后的数据。
本设计采用了容量为1G的DDR3 SDRAM作为数据存储器，其存储速度快、容量大、价格适中、成本低。
5. 接口电路接口电路负责将高速数据采集卡中的数据输出到外部设备中。
基于FPGA的多通道高速数据采集系统设计共3篇
基于FPGA的多通道高速数据采集系统设计共3篇基于FPGA的多通道高速数据采集系统设计1随着现代科技的高速发展，各种高速数据的采集变得越来越重要。
而基于FPGA的多通道高速数据采集系统因具有高速、高精度和高可靠性等优点，逐渐受到了越来越多人的关注和青睐。
本篇文章将围绕这一课题，对基于FPGA的多通道高速数据采集系统进行设计和探讨。
1、FPGA的基础知识介绍FPGA（Field-Programmable Gate Array）是可重构的数字电路，可在不使用芯片的新版本的情况下重新编程。
FPGA具有各种不同规模的可用逻辑单元数，可以根据需要进行定制化配置。
FPGA可以根据需要配置每个逻辑单元，并使用活动配置存储器从而实现功能的完整性、高速度和多样化的应用领域。
2、多通道高速数据采集系统的设计在高速数据采集领域中，多通道采集是非常常见的需求。
多通道采集系统通常由高速采集模块、ADC芯片、DSP芯片等核心部件组成。
在本文中，我们将会采用 Analog Devices（ADI）公司的AD7699高速ADC和Xilinx（赛灵思）公司的Kintex-7 FPGA，来设计多通道高速数据采集系统。
2.1系统架构设计系统架构是设计一个多通道高速数据采集系统的第一步。
本系统的架构由两个主要芯片组成，分别为高速的ADC模块和FPGA模块。
其中ADC模块负责将模拟信号转换为数字信号，而FPGA模块则负责将数据处理为人类可以处理的数据。
2.2模块设计由于本系统是多通道高速数据采集系统，所以我们需要设计多个模块来完成数据采集任务。
在本系统中，每个模块包含一个ADC芯片和一个FPGA芯片，用于处理和存储采集的数据。
ADC 芯片可以通过串行接口将数据传递给FPGA芯片，FPGA芯片则可以将数据存储在DDR3内存中。
2.3信号采集与处理对于多通道高速数据采集系统，信号的采集与处理是至关重要的。
因此我们需要谨慎设计。
在本系统中，每个通道的采样速率可以达到1MSPS，采样精度为16位。
基于FPGA多通道数据采集系统设计
关 键 词 ： 数 据 采 集 ； Ｆ Ｐ Ｇ Ａ； Ｃ Ｓ５１０１Ａ； 标 定 ； 延 时 寄 存 器
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｎ７９
文献标识码：Ｂ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ａ ｍｕｌｔｉ － ｃｈａｎｎｅｌ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ＥＰ１Ｋ１００ ｓｅｒｉａｌｓ ＦＰＧＡ ａｎｄ ＣＳ５１０１Ａ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．
您的论文得到两院院士关注 文章编号：１００８－ ０５７０（２００７）０２－ ２－ ０１９９－ ０３
Ｐ ＬＤ ＣＰ ＬＤ ＦＰ ＧＡ 应 用
基于 ＦＰＧＡ 多通道数据采集系统设计
Ｄｅ ｓ ｉｇ ｎ ｏ ｆ Ｄａ ｔａ Ａｃｑ ｕ ｉｓ ｉｔｉｏ ｎ Ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＦＰＧＡ
技 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，
术 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
创 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
《 Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 － １９９ －
Ｐ ＬＤ ＣＰ ＬＤ ＦＰ ＧＡ 应 用
中 文 核 心 期 刊《 微 计 算 机 信 息 》（ 嵌 入 式 与 Ｓ ＯＣ ）２００７ 年 第 ２３ 卷 第 ２－２ 期
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。
基于FPGA的多通道数据采集系统设计
ｗａ ｒ ｅ ｓ ｈ ｏ ｗｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｅ ａ ｃ ｈ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｄ ａ ｔ ａ ａ ｃ ｑ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｇ ｏ ｏ ｄ， ａ ｎ ｄ ｅ ａ ｃ ｈ ｃ ｈ ａ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｓ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｓ ｍａ ｌ ｌ ｃ ｈ ａ ｎ ｎ ｅ ｌ ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｔ ａ ｌ ｋ ． Ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｗｉ ｄ ｅ ｌ ｙ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｓ ．
Ｌ０ＮＧ Ｌ ｅ ｉ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ，Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ ６ １ １ ７ ３ １ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
关键词 数 据 采 集 ；Ｆ Ｐ Ｇ Ａ； 以 太 网 ；Ｄ Ｄ Ｒ ３
中图分类号
Ｔ Ｎ ９ ６
文献 标 识 码
Ａ
文章 编 号
１ ０ ０ ７— ７ ８ ２ ０ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ —１ ２ ８— ０ ３
基于FPGA具有自适应功能的数据采集系统设计
２３程 控 放 大 电路 的 组 成 。
Ｌ Ｃ ９０ １ Ｔ ６ １－ 是一 种 电压 增益 数字可 编程 的 小外形 宽
带 反 相 ＤＣ放 大 器 。Ｆ Ｇ 通 过 在 Ｇ （ ２ １和 Ｇ ＰＡ Ｇ 、Ｇ Ｏ）脚
ＦＰＧ
！ ￣ ］
上的 ３位数字输入 来控制 ８种 电压增 益选择 （ 、１ 、５ ０ 、２ 、
一
应 ２ 于被分析 的信号的最高频率 Ｃ 即 ： ２ ； 倍 ， ≥ 否则可
能出现 因采样频率不够高 ，模拟信号 中的高频信号折叠到 低频段 ，出现虚假频率成 分的现象 。我们 没计低通滤波 器的采样频率为 ２ｋ ｚ ５Ｈ 。
路送入 ＡＤ转换器 中，一路送进 电压比较器 ，电压 比较 ／
主要 由前 置 放 大器 、 馈 型抗 混叠 低 通滤 波 器 、 控 放 大器 、 反 程
电压比较 电路和 Ａ Ｄ转换 电路构 成 。数据 采集处理模 ／ 块主要有 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ芯片 Ｃ ｏ Ｐ Ｃ ０ ｙ￣ｃ ２ ２ 、数据存储和传输模块 Ｅ 构成 ，完成对模 拟输入信号的采样 、过采样处理 、信号振
ｖ ｃ ｃ
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Ｌ
图 ５ Ａ Ｄ数 据 采 样 及 频 谮分 析 ／
４ 结 语
图３ Ａ Ｄ 样 电路 ，采
（） １ 所设计 的系统能根据被测信 号的振幅 自动调节放 大器的增益 ，从而 自适应地完成对不同幅值振动信号的测 量和处理 ，降低了数据采集过程 中程控放大器增益的频率 ，
（） 系统 的创新点是利用了 ＭＡＴ Ａ ２本 Ｌ Ｂ与 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ共 同
读结果程 序 读出 ， 卅 而不需要其他硬件支持 ，因而可 以 节约硬件资源 ，同时也可以简化电路的拓展 。
基于FPGA的多通道高速数据采集系统设计
四、数据存储与传输
在高速数据采集系统中，数据的存储和传输是非常重要的环节。我们可以使用 DDR3 SDRAM作为主要的数据存储设备，其高带宽和低延迟特性能够满足高速 数据采集的需求。对于数据的传输，我们可以使用PCIe或者以太网等高速接口， 确保数据传输的实时性和稳定性。
五、系统优化与测试
在系统设计完成后，我们需要进行系统测试和优化。我们可以通过实际的信号 输入来验证系统的采样率、分辨率和噪声性能。同时，我们还需要对系统的功 耗进行测试和优化，以确保系统的长时间稳定运行。
3、硬件实现：FPGA内部的各种硬件资源，如查找表（LUT）、触发器（Flipflop）和数字信号处理器（DSP）等，被充分利用来实现数据采集和处理。
参考内容
关键词：FPGA，高速数据采集， 实时处理，高精度测量
引言
随着科技的不断发展，高速数据采集技术在许多领域的应用越来越广泛。例如， 在工业生产中需要实时监控生产过程的数据，而在科学研究领域中则需要获取 大量实验数据进行分析。为了满足这些需求，基于FPGA（现场可编程门阵列） 的高速数据采集系统应运而生。本次演示将详细介绍基于FPGA的高速数据采集 系统的设计方法、技术特点、应用场景及未来展望。
2、FPGA核心：进行数据的高速处理和传输。 3、存储和传输模块：用于数据的存储和传输。
4、电源和时钟模块：提供稳定的电源和时钟信号。
三、FPGA逻辑设计
FPGA逻辑设计是整个系统的核心部分，主要负责数据的接收、处理和传输。在 设计中，我们需要利用FPGA的并行处理能力，优化算法，提高数据处理速度。 同时，我们还需要考虑到系统的可扩展性，以便在未来能够方便地进行功能升 级。
六、结论
基于FPGA的高速数据采集系统因其灵活性和高性能而具有广泛的应用前景。通 过合理的设计和优化，我们可以实现高采样率、高分辨率、低噪声、低功耗的 高速数据采集。随着科技的不断发展，我们期待看到更多的创新和突破在高速 数据采集领域取得。
基于FPGA的高速数据采集卡的设计(毕业设计)
本科毕业设计说明书基于FPGA的高速数据采集卡的设计DESIGN OF HIGH-SPEED DATA ACQUISITION CARDBASED ON FPGA学院（部）：电气与信息工程学院专业班级：学生姓名：指导教师：年月日基于FPGA的高速数据采集卡的设计摘要论文还从宏观和微观两个方面来分析数据采集卡的各个组成部分。
从宏观上分析了采集系统中各个芯片间的数据流向、速度匹配和具体通信方式的选择等问题。
使用乒乓机制降低了数据处理的速度，来降低FPGA中的预处理难度，使FPGA处理时序余量更加充裕。
在ARM与FPGA通信方式上使用DMA传输，大大提高了数据传输的速率，并解放了后端的ARM处理器。
设计从宏观上优化数据传输的效率，充分发挥器件的性能，并提出了一些改进系统性能的方案。
从微观实现上，数据是从前端数据调理电路进入AD转换器，再由FPGA采集AD转换器输出的数据，后经过数据的触发、成帧等预处理，预处理后的数据再传输给后端的ARM处理器，最后由ARM处理器送给LCD显示。
微观实现的过程中遇到了很多问题，主要是在AD数据的采集和采集数据的传输上。
在后期的系统调试中遇到了采集数据错位、ARM与FPGA通信效率低下，还有FPGA 中预处理时序紧张等问题，通过硬件软件部分的修改，问题都得到一定程度的解决。
在整个数据采集卡的设计过程中还遇到高速PCB设计、硬件设计可靠性、设计冗余性和可扩展性等问题，这些都是硬件设计中的需要考虑和重视的问题，在论文的最后一章有详细论述。
关键词：高速数据采集,触发,高速PCB设计,高速ADC１DESIGN OF HIGH-SPEED DATA ACQUISITION CARDBASED ON FPGAABSTRACTDate acquisition is the premise of measure, the foundation of analysis and the beginning of cognition. Most precise device is based on the date acquisition. With the development of the electronic and digital technology, the speed of date transmission and the calculation of CPU are faster and faster; therefore the requirements of data acquisition and processing are more severe than before.This paper analyzes the system from Macro-and micro respect. From the macro point of view it analyzes data flowing, speed matching and the selection of specific means of communication of acquisition system and so on. We adapt ping-pong mechanism to reduce the speed of analyzing data and pre-difficult of FPGA which lead to the ease of processing Timing Margin of FPGA. DMA transfer is used as communication between ARM and FPGA which improve data transmission rates, and liberate the back-end ARM processor. From the micro point of view, data enter into the A/D converter from the front-end conditioning circuitry, FPGA collecting data on the output of A/D converter and go through the pre-operation of triggering and framing of data. After these operations, data are transmitted to the back-end of the ARM processor and then display on the LCD. A lot of difficult exited in the successful operation in the micro respect which is mainly about A/D data collection and the of transmission data. All of these issues have been settled by the revising of hardware and software.KEYWORDS：High-speed Data Acquisition, Triggering, High-speed PCB High-speed, A/D converter２1绪论1.1 引言数计算机技术在飞速发展，微机应用日益普及深入，微机在通信、自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用。
基于FPGA的数据采集系统的设计与实现
Ｖｏ ．９ １１
Ｎｏ １ ．
电 子 设 计 工 程
Ｅｌ ｃ ｒ ｎ ｃ Ｄｅ ｉ ｎ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｅ ｔｏ ｉ ｓｇ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ
２ １ 年 １月 ０ １
Ｊ ｎ ２ １ ａ． ０ １
基 于 Ｆ ＧＡ 的数据 采集 系统 的设 计 与实 现 Ｐ
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｌ ａ ｉ ｎ ｏ ｔ ｃ ｕ ｓｔｏ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｏ ｓｇ ｎｄ ｒ ａ ｉ ｔｏ ｆｄａ ａ ａ ｑ ｉｉｉ ｎ ｓ ｓｅ ｂａ ｅ ｎ ＦＰＧＡ ｚ ＬＵ Ｃ ｕ －ａ， Ｈ Ｎ ｕ， Ｈ Ｏ Ｈｕ ｃ ａ￣ Ｉ ｈ ｎｙ’ Ｃ Ｅ Ｇ Ｘ Ｚ Ａ ｉ ｈ ｎ —
３ Ｄ ｐ ｒ ｎ． Ｅｅｔ ｎ ｎ ｎｅ ｎ ， ｉ ｉ ｎｖｒｉ ， ＇ １０ １ Ｃ ｉ ） ． ｅ ａ ｍ ｔ ｌｃ ｏｉ Ｅ ｇ ｅｒ ｇ Ｘ ａ Ｕ ｉ ｓｙ Ｘｉｎ７ ０ ７ ， ｈｎ ｔ ｅ ｆ ｏ ｒｃ ｉ ｉ Ｄ ｎ ｅ ｔ ａ ａ
Ａｂ ｔａ ｔ ａ ｅ ｎ Ｆ ＧＡ ａ ｄ ｔ ｅ ＵＳ ｓｒ ｃ ：Ｂ ｓ ｄ ｏ Ｐ ｎ ｈ Ｂ２． ｅ ｈ ｉ ａ ，ｔｉ ａ ｅ ｅ ｉ ｎ ｄ ｏ ｅ ｋ ｎ ｆ ｈｇ ｐ ｅ ｎ ｎ ｅ ｒ ｔｄ ｄ ｔ ０ ｔｃ ｎ ｃ ｌ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｄ ｓ ｅ ｎ ｉｄ ｏ ｉｈ ｓ ｅ ｄ ａ ｄ ｉｔ ｇ ａｅ ａ ａ ｇ ａ ｑ ｉ ｔ ｎ ｓ ｓ ｍ．Ｔ ｉ ｓ ｓ ｍ ｏ ｋ Ａｈ ｒ ｒ ｏ ａｉ ｎｓ Ｅ ２ Ｔ１ ４ Ｆ ＧＡ ａ ｈ ｓｅ ｏ ｔｏｌｒ ｎ ｏ ｋ Ｃ ｐ ｅ ｓ ｃ ｕｓ ｉ ｙｔ ｉｏ ｅ ｈｓ ｙ ｔ ｅ ｔｏ ｅ ａ Ｃｏｐ ｒ ｔ ＇ Ｐ Ｃ５ ４ Ｐ ｓ ｔｅ ｍａ ｔｒ ｃ ｎ ｒ ｌ ，ａ ｄ ｔｏ ｙ ｒ ｓ ｏ ｅ Ｃ ｒ ｏ ａ ｉｎｓ Ｅ Ｕ Ｂ Ｆ ｓ ｔ ｅ ｔ ｎ ｍｉ ｉｎ ｍｅｈ ｄ ｉｓ ｙ，ｉ ｔｇ ａ ｅ ｙ ｔｍ＇ ｆａ ｏ ｓ ｕ ｔ ｎ ａ ｄ ｔ ｅ ｈ ｒ ｗ ｒ ｏ ｒｔ ＇ Ｚ— Ｓ Ｘ２ ａ ｈ ｒ ｓ ｓ ｏ ｔ ｏ ．Ｆ ｒｔ ｐ ｏ ａ ｓ ｌ ｎｅ ｒ ｔｄ ｓ ｓｅ ｓ ｒ ｍｅ ｃ ｎ ｔ ｃｉ ｎ ｈ ａｄ ａ ｅ ｒ ｏ ｉｔ ｒ ｃ ｉ ｕ ｔ ｗ ｒ ｎｒ ｄ ｃ ｄ ｉ ｅａ ｌ ｅ ｏ ｄ ｙ．ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｍｐ ｅ ｎ ｆｈ ｒ ｗａ ｅ ｐａ ｆＩ ｎ ｅ ｆ ｅ ｃｒ ｉ ｅ ｅ ｉ ｔ ｕ ｅ ｎ ｄ ｔｉ．Ｓ ｃ ｎ ｌ ａ ｃ ｏ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｉ ｌｍｅ ｔ ａ ａ ｄ ｒ ｌ ｔ Ｔ ｏ Ｏ．ｉ ｔ ｒ ｃ ｏ ｅ ｗａ ｎ ｅｆ ｅ ｃ ｄ ｓ ａ ｄ ｓｇ ｅ ｙ ｕ ｉｇ Ｖｅｉ ｇ ＨＤＬ， ａ ｄ ＵＳ ２０ ｆ ｍｗ ｒ ｒ ｇ ａ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ．Ｆ ｎ ｌ ， ｔ ｅ ｓ ｓ ｍ ｅ ｔ ｗ ｓ ｃ ｍｐｅ ｅ ｅ ｉｎ ｄ ｂ ｓｎ ｒ ｏ ｌ ｎ Ｂ ． ｒ ａ ｅ ｐ ｏ ｒ ｍ ｗａ ｅ ｉｎ ｄ ｉ ｉａｌ ｙ ｈ ｙｔ ｅ ｔ ｓ ａ ｏ ｌｔ ｄ ｔｒ ｕ ｈ ｓ ｆ ｒ ｎ ａｄ ａ ｅ ｓ ｓｅ ｈ ｏ ｇ ｏｔ ｅ ａ ｄ ｈ ｒ ｗ ｒ ｙ ｔ ｍ．Ｔ ｉ ｔｓ ｅ ｕｔ ｉ ｄ ｃ ｔｓ ｔ ａ ｈ ｖ ｒ ｌ ｓ ｓｅ ｆ ｎ ｔ ｎ ｉ ｏ ｒ ｃ ．ａ ｄ ｔ ｃ ｎ ｗａ ｈ ｓ ｅ ｔｒ ｓ ｌ ｎ ｉａｅ ｈ ｔｔ ｅ ｏ ｅ ａ ｌ ｙ ｔ ｍ ｕ ｃｉ ｓ ｃ ｒｅ ｔ ｎ ｉ ａ ｏ ａ ｃ ｍｐｉｈ ｔ ｅ ｄ ｔ ｃ ｕ ｓｔ ｎ ｄ ｔ ｎ ｅ ｅｔ ｉ ｉ ｕ ｔ ｎ ｅ ． ｃ ｏ ｌ ｈ ａａ ａ ｑ ｉｉ ｏ ｕｙ ｕ ｄ ｒｃ ｒ ｎ ｃｒ ｍｓａ ｃ ｓ ｓ ｉ ａ ｃ
基于FPGA的X射线荧光光谱仪数据采集与控制系统的设计
基于FPGA的X射线荧光光谱仪数据采集与控制系统的设计一、引言X射线荧光光谱仪是一种用于分析物质成分的仪器，它通过激发样品产生的X射线，并测量其荧光辐射强度，从而确定样品的元素组成。
在X射线荧光光谱仪中，数据采集与控制系统是至关重要的组成部分，它负责采集光谱数据并控制仪器的运行。
本文将介绍一种基于FPGA的X射线荧光光谱仪数据采集与控制系统的设计，以及系统的工作原理和性能特点。
二、系统设计1. 系统框架基于FPGA的X射线荧光光谱仪数据采集与控制系统主要由FPGA芯片、AD转换器、控制器、存储器和通信接口等组成。
FPGA芯片作为系统的核心处理器，负责数据采集和实时控制；AD转换器用于将模拟信号转换为数字信号；控制器负责控制整个系统的运行；存储器用于存储采集到的光谱数据；通信接口用于与外部设备的数据交换。
2. 数据采集数据采集是X射线荧光光谱仪的核心功能之一，它通过对样品的X射线荧光辐射进行探测和测量，得到样品的光谱数据。
在基于FPGA的数据采集系统中，AD转换器将模拟信号转换为数字信号，并将其传输给FPGA芯片进行处理。
FPGA芯片通过预设的算法对数据进行处理和分析，并将处理后的数据传输至存储器进行存储。
采集系统还需要与控制系统进行同步，实现数据的准确采集和处理。
3. 控制系统控制系统是X射线荧光光谱仪的重要组成部分，它负责对仪器的各个部件进行控制和调节，以保证仪器的正常运行。
在基于FPGA的控制系统中，FPGA芯片作为主控制器，通过预设的逻辑电路对光谱仪的各个部件进行实时控制。
控制系统还需要与数据采集系统进行同步，保证数据的实时采集和处理。
4. 通信接口通信接口是X射线荧光光谱仪与外部设备进行数据交换的重要途径，它负责与计算机、显示器、打印机等外部设备进行数据传输和控制。
在基于FPGA的通信接口设计中，需要考虑接口的稳定性、速度和兼容性，以保证与外部设备的良好通信。
三、系统工作原理四、系统性能特点基于FPGA的X射线荧光光谱仪数据采集与控制系统具有以下性能特点：系统的数据采集速度快，能够实现高精度的数据采集和处理；系统的控制精度高，能够实现对仪器的多种部件进行精确控制；系统的可靠性高，能够保证长时间稳定运行；系统的灵活性好，能够适应不同样品的分析需求。
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收稿日期：２００９—０５—２９
万方数据
ｌ 系统总体设计方案
完整的数据采集过程通常由数据的通道选择、采 样、存储、显示构成，有时也要对数据进行适当的处理。 其中，控制模块起到了核心作用，他作为控制信号产生 和处理的中枢对这些外围电路进行着实时的监控和管 理。设计过程中采用ＦＰＧＡ作为控制器，完成对Ａ／Ｄ 转换器的控制，并将采集到的数据存储到一定的存储单 元，通过ＶＧＡ接口协议，最后在显示器上显示。具体 涉及的外围电路中，数据采集部分主要应用ＡＤＣ０８０９ 作为数据采集芯片，对输入的模拟量进行Ａ／Ｄ转换；数 据缓存部分应用６１１６作为存储芯片，用来缓存０８０９采 集的数据；按键控制部分利用８个按键来控制０８０９的 转换通道选择；图形显示部分输出标准的ＶＧＡ信号， 使用ＣＲＴ显示器，以显示实时波形。由于在设计中对 外部器件进行控制的控制器都是由ＦＰＧＡ完成的，ＦＰ— ＧＡ的工作量很大，因此所采用的ＦＰＧＡ芯片为ＦＬＥＸ 系列中３０万门的ＥＰＦｌ０Ｋ３０。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＦＰＧＡ；ＶＧＡ；ｓｔａｔｅ ｍａｃｈｉｎｅ ．
０引 言
数据采集和控制系统是对生产过程或科学实验中 各种物理量进行实时采集、测试和反馈控制的闭环控 制，它在工业控制、军事电子设备、医学监护等许多领域 发挥着重要作用［１］。其中，数据采集部分尤为重以控制ＡＤＣ、存储器和其他外围电路的工作， 使得采集速度和效率降低。近年来，微电子技术，如：大 规模集成电路和超大规模集成电路技术的发展，为数据 采集系统的发展提供了良好的物质基础。从而使器件 向模块化和单片化发展，使所用软件均向实时高级语言 和软件模块化发展，接口向标准化发展。由于ＦＰＧＡ 时钟频率高，内部延时小，全部控制逻辑均由硬件完成， 速度快，效率高［２］，同时它有非常强大的硬件描述语言 和仿真工具，方便检验结果的正确性。基于以上考虑， 在设计中采用ＦＰＧＡ作为控制处理器。而ＶＧＡ接口 的设计，更突出了该模块的兼容性，更易于采集数据的 直观表现。
常见的彩色显示器一般由阴极射线管（ＣＲＴ）构 成，彩色是由红、黄、蓝（Ｒ，Ｇ，Ｂ）三基色组成的，用逐行 扫描的方式解决图像显示，其引出线共含５个信号：Ｒ， Ｇ，Ｂ三基色信号；ＨＳ；行同步信号；ＶＳ；场同步信号。
对于ＶＧＡ显示器的这五个信号的时序驱动要严 格遵循“ＶＧＡ工业标准”，即６４０×４８０Ｘ ６０模式，否则 会损害ＶＧＡ显示器Ｍ。在此，控制器共有２个输入信 号，６个输出信号。ＣＩ．Ｋ连接到外部的晶振上，其晶振 频率是５０ ＭＨｚ。由于ＶＧＡ工业标准所要求的晶振频 率是２５ ＭＨｚ，因此，在此控制器中首先要将时钟进行 二分频。ＲＤ是一个８位的数据量，它接收从ＲＡＭ读 出的数据。输出信号ＲＥＡＤ用于控制ＲＡＭ控制模块 开启ＲＡＭ的读有效信号，只要ＲＥＡＤ有变化，那么将 进入读数据状态，由ＲＤ接收读出来的数据。ＨＳ和 ＶＳ分别是行同步信号和场同步信号，Ｒ，Ｇ，Ｂ为三条输 出的信号线。显示波形是通过改变Ｒ，Ｇ，Ｂ这三条输出 信号的值来实现的［４ Ｊ。
键盘控制模块由四个模块组成，包括：时钟分频模 块、行键值输出模块、键值锁存模块和键值合成模块‘引。
键值锁存模块将按下按键的行、列信息锁存，并交由键 值合成模块，该模块配合行键输出模块输出的结果进行 查表，最终确定键值。 ３仿真结果
Ｍａｘ＋ＰｌｕｓⅡ仿真平台的图形输入方式直观，符合 传统数字系统设计人员的习惯．便于进行接口的设计， 容易实现仿真，便于信号的观察ｎ…。基于以上考虑，利 用此平台，用硬件描述语言ＶＨＤＬ来实现各个功能模 块，Ａ／Ｄ转换控制器和ＶＧＡ显示控制器模块的时序仿 真结果如图３、图４所示。
每读出一个数据，其实是对应着一个像素点。由于
１ ９０
万方数据
这里所采集的电压值范围是Ｏ～５ Ｖ，对应ＡＤＣ０８０９转换 成的数据量是０ｘ００－－－０ｘＦＦ，所以在设计时只要将ＲＤ接 收的具体数值与显示器中的某一行相对应即可，具体实 现用比较语句就可以实现行定位，同时列辅助寄存器 ＬＬＶ加１即可，这样即可实现连续波形。这些点连接起 来就是一个完整的波形，而其中行同步和场同步信号的 产生则分别由内部信号ＣＣ，ＬＬ根据已知的输入时钟，通 过计数器计数的方式，达到工业标准要求的频率。 ２．２ Ａ／Ｄ转换控制器的设计［７，８３
２基于ＦＰＧＡ的主控模块的实现∞’４】
主控制器的工作原理如图１所示。
１８９
图１ 主控制器工作原理图
通过一个Ａ／Ｄ转换控制器产生对ＡＤＣ０８０９的控 制信号。启动ＡＤＣ０８０９之后，随即就会按照一定频率 进行Ａ／Ｄ转换。同时通过一个数据锁存信号将数据锁 存到Ａ／Ｄ转换控制模块中。这个锁存信号将作为 ＲＡＭ控制器写输入控制信号。当ＲＡＭ读写控制器的 写控制信号有效之后，将开启ＲＡＭ的写使能有效信 号，将采集到的数据写入ＲＡＭ的第６００个地址单元 中，然后ＲＡＭ控制器将ＲＡＭ中的数据向上移动 一位，移动完之后，产生一个数据更新完毕信号，之后才 通过内部的一个控制信号，允许从ＲＡＭ读出数据。。
作者简介
孙炎辉 丁纪峰
１ ９８２年出生，回族，河南洛阳人，大连民族学院机电信息工学院综合实验中心，助理工程师。 男，１９７８年出生，辽宁抚顺人，工学硕士，讲师。研究方向为自动化测试与控制。
（上接第１７５页）
基于ＦＰＧＡ的数据采集控制模块设计
孙炎辉，丁纪峰
（大连民族学院辽宁大连 １１６６００）
摘 要：设计以ＦＰＧＡ为基础的数据采集控制模块，克服传统的以单片机或ＤＳＰ作为控制器带来的采集速度和效率上 的瓶颈，同时显示部分创新性地采用了ＶＧＡ标准接口，大大提高了显示系统的兼容性。设计的控制模块主要由四个部分组
。一一ｈ” ｈ一。 ｈ。 ｆ
图３ Ａ／Ｄ转换控制器工作时序
图４ ＶＧＡ显示控制器时序仿真图 ４结 语
这里的数据采集控制模块主要以ＦＰＧＡ为基础，本
着软件硬件化的思路，着重研究主控制模块的实现。由 于采用ＦＰＧＡ作为控制处理器，其速度快，效率高，且标 准的ＶＧＡ接口使得系统的使用更加便捷，键盘控制的多 通道间切换，也为实现多路采集奠定了基础。
ＡｂｓＩＴａｃｉ：Ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ｉｓ ｄｄｓｉｇｎｅｄ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔＯ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ ｏｎ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｄ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｏｒ ＤＳＰ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｆ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ．Ａｔ ｔｈｅ Ｆ∞．ｍｅ ｔｉｍｅ，ＶＧＡ ｓｔａｎｄａｒｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔＯ ｉｍ— ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｓｙｓｔｅｍ’ｓ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ ｏｆ ｆｏｕｒ ｐａｒｔｓ：ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｄａｔａ ｂｕｆｆｅｒ，ｋｅｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｇｒａｐｈｉｃ ｄｉｓｐｌａｙ．Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｕｓｉｎｇ ＶＨＤＩ。ｌａｎｇｕａｇｅ ｐｒｏｇｒａｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ Ｍａｘ＋ＰｌｕｓⅡｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｅａｃｈ ｆｕｎｃ— ｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅ ｈａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｕｔｃｏｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ ｄｉｓｐｌａｙ．Ｉｔ ｈａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｉｔｓ ｐｕｒｐｏｓｅ ａｓ ａｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｅｎｔｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅ ｔＯ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ．
［８３牛斌，马利，张玉奇．一种应用ＶＨＤＩ，语言设计有限状态机 控制器的方法［Ｊ］．微处理机，２００３（２）：１０一１２．
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（１０）：４７—４９．
［１０］林战平，曾．庆科，李健昌．Ｍａｘ＋Ｐｌｕｓ ＩＩ在ＥＤＡ中的应用 ［Ｊ］．广西物理，２００５，２６（４）：２０—２３．
若ＲＡＭ中读数据使能，每当ＶＧＡ显示控制器发 出一个读数据命令时，ＲＡＭ读写控制器便开启ＲＡＭ 的读有效信号，读出ＲＡＭ中的数据，并且通过ＶＧＡ 控制器的时序控制和输出信号进行显示［５］。外部的按 键部分共有８个，这８个按键控制ＡＤＣ０８０９的８路通 道的选择。键盘控制器的功能就是扫描所按下按键的 行和列值，并且合成键值，转换成按键数值０～７，最终 控制８个模拟输入通道的选择。 ２．１ ＶＧＡ显示控制器的设计
［５］曾喜芳，屈能伸．用ＦＰＧＡ实现终端中的显示ＲＡＭ控制 ［Ｊ］．计算机工程与科学，２００１，２３（４）：４１—４２．
［６］蒋艳红．基于ＦＰＧＡ的ＶＧＡ图像信号发生器设计［Ｊ］．电子 测量技术，２００８，３１（３）：７９—８１．
［７］吴繁红，井新宇．用ＣＰＩ，Ｄ／ＦＰＧＡ设计Ａ／Ｄ采样控制器 ［Ｊ］．电子工程师，２００２，２８（２）：３７—３８．
中图分类号：ＴＰ３３２
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００４—３７３Ｘ（２００９）２２—１８９一０３
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｏｄｕｌｅ Ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ ＦＰＧＡ