基于FPGA和CPCI的数据采集系统硬件电路设计
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和PCI总线数据采集系统的研究与设计的开题报告
基于FPGA和PCI总线数据采集系统的研究与设计的开题报告一、选题背景及意义数据采集系统在工业自动化、通信、医疗等领域中具有广泛应用。
而传统的数据采集设备不仅难以满足实时性要求,而且在数据处理和转换方面也存在一定的问题。
因此,基于FPGA和PCI总线的数据采集系统应运而生。
本文选题旨在研究和设计一种基于FPGA和PCI总线的数据采集系统,以实现快速、准确地采集和处理数据,以及提高系统的稳定性和可靠性。
这不仅有助于促进工业自动化、通信、医疗等领域的发展,而且对FPGA和PCI总线等前沿技术的研究和应用也具有重要意义。
二、研究内容和方法本文主要研究内容包括:1. FPGA和PCI总线的基本原理和应用。
2. 数据采集系统的功能需求和设计方案。
3. 数据采集系统的硬件设计和实现,包括FPGA逻辑设计、PCB设计等方面。
4. 数据采集系统的软件设计和实现,包括驱动程序、应用程序等方面。
研究方法主要包括文献调研、理论分析、实验验证、模拟仿真和性能测试等多种手段。
三、预期成果和创新点预期成果包括完整的基于FPGA和PCI总线的数据采集系统,并能够满足快速、准确地采集和处理数据的要求。
同时,本文还将对该系统进行系统性能测试和比较分析,以验证系统的稳定性和可靠性。
创新点主要体现在:1. 结合FPGA和PCI总线的前沿技术,实现高效、快速的数据采集和处理。
2. 在硬件设计方面,完善了数据采集系统的I/O接口设计和电源管理,提高系统的稳定性和可靠性。
3. 在软件设计方面,使用现代化的开发工具和技术,简化了系统的开发过程,并提高了开发效率和质量。
四、研究进度安排1. 阅读相关文献,了解FPGA和PCI总线的基本原理和应用。
时间安排:2周。
2. 分析数据采集系统的功能需求和设计方案,确定系统的硬件和软件设计方向。
时间安排:1周。
3. 进行FPGA逻辑设计和PCB设计,完成数据采集系统的硬件实现。
时间安排:4周。
4. 开发驱动程序、应用程序等软件模块,完成数据采集系统的软件实现。
基于FPGA的数据采集控制系统的设计与分析
石家庄铁道大学四方学院毕业设计基于FPGA的数据采集控制系统的设计与分析The Design and Analysis of Data Acquisition Control System Based on FPGA在科学技术研究和产业生产的各行业中,数据采集控制系统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。
本设计介绍了基于FPGA的数据采集控制系统的设计,系统以可编程逻辑器件FPGA作为采集系统的核心,根据模数转换器ADC0809和数模转换器DAC0832的工作原理,应用FPGA的内部逻辑实现时序控制,对数据进行采集、A/D转换、数据运算、D/A转换以及数据显示控制的研究设计。
本设计主要分为五个模块,A/D转换控制模块、数据运算与处理模块、D/A转换控制模块、有关按键输入与数据显示控制模块以及数码管显示模块,运用VHDL语言编程实现了数据采集系统,通过在Altera 公司开发的第四代EDA集成开发环境—QuartusⅡ7.2中进行修改、编译、仿真,通过仿真结果来验证其正确性。
在设计中,通过使用进程可以把整体的功能局部化、分块设计。
采用多进程描述方法来进行程序设计,多个进程通过进程间通信机制互相配合,达到设计要求。
此系统的设计实现性价比高,能够实现更多的功能。
同时,还进一步提高了,系统的可靠性和工作效率,具有一定的实用和参考价值。
关键词:FPGA ADC0809DAC0832VHDL数据采集AbstractIn science and technology research and industry production of various industries, the data acquisition control system to the production process or scientific experiments of physical quantity of real-time data acquisition, testing and feedback control closed loop control, it in industrial control, military electronic equipment, medical care, and many other areas plays an important role.This design is introduced based on FPGA data collection of the design of control system, the system with programmable logic devices FPGA as collection the core of the system, according to ADC0809 adc and dac DAC0832 work principle, application of the internal logic FPGA realize sequential control, data collection, A/D conversion, data processing, D/A transformation and data display and control of the study design. This design mainly divided into five modules, A/D conversion control module, data operation and processing module, D/A transformation control module, relevant key input and data display and control module and digital pipe display module, the use of VHDL language programming to achieve data acquisition system, through the development of the company in Altera fourth generation EDA integrated development environment-Quartus Ⅱ7.2 modified, compilation, simulation, through the simulation results to verify its accuracy. In the design, through the use of the whole process can function localization, block design. The description of the process method to design program, more processes through the inter-process communication mechanism cooperate with each other, and to meet the design requirements. The system design and implementation of high performance/price ratio, can realize more function. At the same time, further improve the reliability of system and work efficiency, has certain practical and reference value.Key words: FPGA ADC0809DAC0832VHDL Data Acquisition目录第1章绪论 (1)1.1课题背景 (1)1.2选题目的及意义 (1)第2章EDA技术及FPGA技术 (3)2.1EDA技术 (3)2.2EDA技术的开发环境- Quartus Ⅱ (4)2.3VHDL (6)2.4FPGA技术 (7)2.4.1工作原理 (7)2.4.2基本特点 (7)2.4.3FPGA基本内部构造及功能分析 (8)2.4.4FPGA硬件系统构成 (8)2.4.5用FPGA开发工具进行电路设计的一般流程 (9)第3章数据采集控制系统的研究分析及设计 (10)3.1数据采集控制系统的研究与分析 (10)3.2数据采集控制系统的设计方案 (11)第4章数据采集控制系统模块的设计与分析 (13)4.1A/D转换控制模块ADZHKZ的设计 (13)4.1.1ADC0809模数转换的控制设计 (14)4.1.2转换后数据的BCD码转换处理的设计 (18)4.1.3A/D转换控制模块ADZHKZ的VHDL的设计 (20)4.2数据运算与处理模块SJYSCL的设计 (20)4.3D/A转换控制模块DAZHKZ的设计 (21)4.3.1DAC0832数模转换控制设计 (21)4.3.2D/A转换控制模块DAZHKZ的VHDL的设计 (23)4.4按键输入与数据显示控制模块JPXSKZ的设计 (24)4.5数码显示模块DISP的设计 (24)4.6附加模块FJ的设计 (25)第5章数据采集控制系统模块时序仿真与分析 (26)5.1A/D转换控制模块ADZHKZ时序仿真 (26)5.2数据运算与处理模块SJYSCL时序仿真 (26)5.3D/A转换控制模块DAZHKZ时序仿真 (27)5.4按键输入与数据显示控制模块JPXSKZ时序仿真 (27)5.5数码显示模块DISP时序仿真 (28)I第6章结论 (29)参考文献 (30)致谢 (31)附录 (32)附录A外文资料 (32)附录B系统组成原理图 (39)附录C程序清单 (40)II石家庄铁道大学四方学院毕业设计第1章绪论1.1 课题背景在科学技术研究和产业生产的各行业中,数据采集控制系统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。
基于FPGA和CPCI的数据采集系统硬件电路设计
[ 1 ] 李阜馨. 浅析矿 山地质灾害类型与防治措施[ J ] . 科技信息, 2 0 1 1 ,
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◇
l 数 字 技 术
r 估的 内容包括: 受灾面积 、 农作物受灾面 测精度和勘测效率 。 积、 灾情等级 、 救 灾路线选择评估等方面 , 主要表达形式包括受灾面 4结语 ・ 积图、 农作物受灾面积 图、 灾情等级 图以及灾情遥感评估报告等 。 集成3 S 技术 , 利用遥感技术对矿 山地质灾害信息的提取 、 全球 在矿 山地质灾害的评估 中, 主要利用未受灾和成灾后的影像数据进 定位系统对遥 感图像从 中提取 的信息进行定位等基 础数据 的调查 行对 比分 析 , 准确地查 明受 灾矿 区住房、 生产设备和道路所遭受的 利用地理信息系统对矿 山地质环境及其周边地质环境信息进 破坏程度 以及数量与分布状况等, 以便及时组织救灾 、 恢复生产 , 对 采集 , 受灾重建实现科学 规划 。 利 用 不 同数 据 源 、 多 时相 的遥 感 数 据 , 提 供 关 于 自然 灾 害 发 生 背景和条件的大量信 息。 利用遥感技术可以对全地 区的地质情况进 行摸 底分 析 , 确定 出易发地 质灾害的区域 。 常见的地质灾害在遥感 影像 上 都 具备 一 定 的 特 征 。 根据这些特征 , 可 以从 遥 感 影 像 划 分 出 地质 灾害易发区 , 进而绘制出地质灾害危险等级 图【 5 】 。 根据地质灾害 的危险等级 , 建立地质灾害预测应急预案, 以前做好预防措施 , 确保 人 民生命安全 和经济财产达到最低程度 的损失。 3 . 3全 球 定 位 系统 ( GP S ) 的应 用 地质 灾害 的发生是 缓慢 蠕动的地质体( 如滑坡体等 ) 从量变 到 质变 的过程 。 一般情 况下, 地质灾害体 的蠕动速率是很小而且稳定 的, 当突然增大 时预示着灾 害的即将到来 。 由于全球卫 星定位 系统 ( G P S ) 的差分精度达毫米级 , 可 以满足对蠕动灾体监测 的精度要求。 因此 , 利用卫 星定位系统可 以全过程地进行地质灾 害动态监测 , 在 此基础上有效地进 行地质灾害的预测 、 预 报甚 至 临 报 和警 报 。 G P S 在 灾 害领 域 的应 用 主 要 在 崩塌 、 滑坡 、 泥 石 流 等 地 质 灾 害监 测 方 面 。 具 体 了解 和 掌 握 崩 、 滑体的演变过程 , 及 时捕 捉 崩 滑 灾 害 的特 征 信 息, 为崩 塌及 滑坡 的 正 确 评估 分 析 、 预 测 预 报 及 治 理 工 程 等 提供 可 靠 的 资料 和科 学 依 据 。 同时 , 监测 结 果 也 是检 验 崩 塌 、 滑 坡 分 析 评估 行组合、 分析 、 修改 、 建立 数据 库等功能 , 实现数据的对 比、 查询 、 检 索、 动 态更 新 、 输出。 随着 W e b - G I S ( 网络G I S ) 技 术 发展 , 逐渐 应 用 到 地质 灾害监测评估与 防治当中, 成为地质灾害信息化 防治 技术的发 展新趋 势。 通过We b - G I S, 结合3 s 技术, 可将 技术系统、 数据分布在 网络, 实现 数 据 的实 时 更 新 、 管 理 从 而使 得 地 质 灾害 数 据 和地 质 灾 害模 型 可 以在 全 国范 围 内共 享 , 为 防 灾减 灾 提供 一 个 功 能 强大 而 又 方便快捷 的有效途径 。 可见 , 3 S 技术的集成 以及与其他技术 的结合, 使得它们 的各 自的优势得以充分发挥 , 在矿山地质灾害防治 中发挥 越来越重要 的作用 。
基于FPGA的高速数据采集系统的电路设计
基于FPGA的高速数据采集系统的电路设计王建秋【摘要】传统的高速数据采集系统设计方法是利用单片机和硬件FIFO对信号进行采集,但这种系统控制单一,且不易升级。
FPGA电路逻辑关系清晰,芯片时延性小、速度快,且可用VHDL或VerilogHDL来描述其内部逻辑电路,便于修改和升级。
如果在高速数据采集系统中采用FPGA控制器,将会极大地提高系统的稳定性与可靠性。
本文设计了一个基于FPGA的高速数据采集系统,对其硬件电路部分进行了设计。
%Ttraditional high_speed data acquisition system design method is carries on gathering using the monolithic integrated circuit and hardware FIFO to the signal,but this systems control is unitary,also is difficultly promoted.FPGA is of circuit logic legible【期刊名称】《潍坊学院学报》【年(卷),期】2011(011)004【总页数】4页(P16-19)【关键词】FPGA;数据采集系统;电路设计【作者】王建秋【作者单位】潍坊职业学院,山东潍坊261031【正文语种】中文【中图分类】TP274.2高速数据采集系统是现在电子信息同步实时处理系统方面的重要环节之一,在某些情况下,必须采用高速数据采集技术才能满足信息处理的同步性与准确性。
从现有的技术和产品来分析,低速、低分辨率的数据采集技术已相当成熟,实现起来比较容易,单片ADC即可满足要求,而目前我国的高速数据采集技术水平相对于世界先进的水平来讲比较落后,是我国信息通讯技术的一个颈瓶。
本文主要侧重基于FPGA 技术的高速数据采集系统硬件方面的电路设计进行研究。
1 数据采集系统的实现原理本文设计的高速、高精度数据采集系统的数据功能流程如图1所示,它主要包括三大部分:第一部分是前端的数据采集与转换,即自然信号的采集与转换的过程。
基于FPGA的数据采集系统电路设计
基于FPGA的数据采集系统电路设计数据采集系统是指将各种实际物理量(如温度、湿度、压力等)进行采集、转换和存储,并通过通信方式传输给计算机或其他设备进行处理和分析的系统。
其中,FPGA(Field Programmable Gate Array)是一种可编程的逻辑器件,能够自定义电路架构来实现各种功能。
在基于FPGA的数据采集系统电路设计中,我们需要考虑以下几个方面:输入电路、数据转换电路、存储电路、通信电路以及控制电路。
下面将对每个方面进行详细介绍。
首先是输入电路。
输入电路用于将外部的物理量转换为电信号,一般采用传感器来实现。
不同的传感器具有不同的特性和信号输出方式,因此需要针对具体的传感器进行电路设计。
例如,温度传感器的电路设计可以包括电压放大器、温度传感元件和滤波电路等。
接下来是数据转换电路。
数据转换电路将输入的模拟信号转换为数字信号,并使用FPGA中的模数转换器(ADC)进行采样。
ADC的选型和电路设计需要根据采样速率、精度和信号波形等要求进行优化。
一般可以采用Σ-Δ模数转换器或者逐次逼近型模数转换器。
然后是存储电路。
存储电路用于将采集到的数据进行临时存储,以便后续的处理和分析。
FPGA内部存储器可以用于存储少量的数据,但对于大量的数据存储,一般需要外部的存储器。
常见的外部存储器包括闪存、SD卡和硬盘等。
接下来是通信电路。
通信电路用于将采集到的数据传输到计算机或其他设备进行进一步处理和分析。
常用的通信方式包括串口通信、以太网通信和无线通信等。
在电路设计中,需要根据具体的通信方式选择合适的芯片和协议。
最后是控制电路。
控制电路用于控制整个数据采集系统的工作流程,包括采样频率、存储方式和通信方式等。
在FPGA中可以使用状态机来实现控制逻辑,也可以使用外部的控制器(如微处理器或微控制器)。
总的来说,基于FPGA的数据采集系统电路设计需要综合考虑输入电路、数据转换电路、存储电路、通信电路和控制电路等方面的要求。
基于CPCI总线与FPGA芯片的测井数据采集智能IO板卡设计方案
基于CPCI总线与FPGA芯片的测井数据采集智能IO板卡设计方案随着数字化与测井技术的发展,对测井系统的稳定性、可靠性、兼容性、可升级性等性能提出了更高的要求,本文提出了一种适用于测井系统设备的CPCI(Compact PCI)高性能数据采集板卡硬件设计方案,能够有效地处理来自井下的复杂信号,并通过256 MB/s 高速CPCI总线桥接到主控设备。
本板卡实现的主要功能是井下Encoder(深度脉冲)、Tension(张力)、MMD(Magnetic Mark Detection)和CCL(Casing Collar Locator)等信号的实时采集,采集数据在DSP中完成预处理,通过CPCI总线送入主控制器分析使用,此外,板卡还实现上电自诊断,关键数据在FRAM 中的及时存储,RS232 串口定时发送深度数据和接收控制命令等其他功能。
1 板卡总体结构整个板卡由FPGA、PCI桥片、DSP、A/D和D/A五大部分组成,其中FPGA选用Altera公司高性能低功耗Cyclone III系列芯片,PCI桥片选用PLX公司32 bit 66 MHz PCI9056芯片,DSP选用TI公司TMS320F2812芯片,A/D选用ADI公司16 bit 200 kS/s高精度高速采集芯片AD974,板卡结构框图如图1所示。
该板卡工作过程是:板卡上电后,PCI9056向FPGA发出指令控制D/A产生诊断信号,诊断信号经由板卡各级模拟通路后环回到FPGA,然后FPGA把采集到的诊断信号送入DSP,DSP再通过FPGA把数据送回CPCI总线,完成整个板卡硬件的自诊断。
自诊断完成后,D/A处于非工作状态,各信号由井下电缆送入,经过多级滤波放大后进行A/D采集,FPGA完成Tension、MMD和CCL等信号的采集和Encoder信号的处理,最终把数据送入DSP进行预处理,经DSP处理好的数据由CPCI总线送回主控制器。
基于FPGA和CPCI总线的电力系统交流采样板的设计
及V ME总线 的物 理 特性 , 集 中了 二者 的优 点 , 正
在 不 断地推 广 应 用 … , C P C I 总 线 接 口具 有 开 放 、
通 用及 易实 现 的特 点 , 在 实 时信 号 处 理 系 统需 要
把 处理 后 的结 果传送 到 主控板 或从 主控 板 接收参 数 设 置 的场 合下 应用 比较 多 .
器、 2 . 5 V基 准 电压 源 、 高 速 串行 和 并 行 接 E l _ 2 .
快 速 脉 冲群 及 高 频 干 扰 信 号 的 滤 波 , 在 此 采 用 A D 7 6 0 6厂家 推 荐 的无 源 二 阶低 通 滤 波 电路 [ 2 ] ,
如 图 3所示 .
_ - a — 强 = ) - —1 _ —拦『 _
图1 交流采样板总体框图
1 . 1 C P C I 总线 接 口设 计
目前 C P C I总线 的设 计 一 般 采 用 两 种 方 案 ,
作 者简介 : 李 峰( 1 9 8 1 一) , 男, 山东沂水人 。工程师 , 硕 士, 从事 电力 自动化系统开发与 E MC测试 。E — m a i l : l i  ̄n g 1 2 5 5 2 1 @1 2 6 . c o n。 r 通讯 作者 : 周 风余 ( 1 9 6 9 一) , 男, 山东沂南人 。教授 , 博 士研究生导 师 , 博士 , 从事机器 人及计算机控 制系统等方 面的研究 。E . m a i l
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_ 4 - _ 1
强
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. .
A D 7 6 0 6支 持模 拟输 入 电压 范 围为 ±1 0 V和 ̄ 5 V, 通过 R A N G E引脚 的上拉 、 下 拉 进 行选 择 ; 支持 并 行接 口模 式 ( D B 1 5一S B 0 ) 或 串行 接 口模 式 ( D B 7 或D B 8 ) . 在 此笔 者使 用 了 E P 4 C E 6与 A D 7 6 0 6并 行接 口模 式 , 以提 高转换 传 输 的实 时性 , 考 虑 到互 感器 二 次侧 的输 出 电压 最 高 为 3 . 5 3 V, 模 拟 输 入
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。
(完整版)基于FPGA的高速数据采集系统设计毕业设计
(完整版)基于FPGA的高速数据采集系统设计毕业设计武汉纺织大学毕业设计(论文)任务书课题名称:基于FPGA的高速数据采集系统设计完成期限: 2021年3月2日至2021年5月25日学院名称电子与电气工程学院专业班级电子082指导老师王骏指导教师职称讲师学院领导小组组长签字一、课题训练内容采集系统的研制工作;以实现对模拟高频信号的处理和控制。
课题选用现场可编程逻辑器件FPGA技术,在Altera公司的Quartus II开发环境中应用VHDL语言进行FPGA的编程与仿真,研究各模块的设计方法和控制流程,结合USB2.0总线接口技术,以期实现系统与PC机连接,在PC上对数据进行分析、显示和监控等,最后对系统性能指标进行验证。
1. 培养学生通过图书馆、互联网等资源查阅相关资料(包括外文资料),训练学生自主获得知识的能力和自学能力;2. 培养学生把所学的知识用于实践并引申到相关专业知识上,锻炼出自学能力;3. 锻炼学生外文阅读及翻译能力;4. 锻炼学生的自我创新能力;5. 在书写论文的过程中,锻炼学生的语言组织能力、逻辑思维能力、办公软件使用的能力;6. 培养学生与人合作、相互交流的能力。
二、设计(论文)任务和要求1. 大量收集与本课题有关的资料:到图书馆、各大书店寻找无线充电技术以及相关电路的资料,并认真进行阅读;到各大数据库和相关网站上搜索与本课题相关的学位论文和相关资料。
2. 第四周前上交毕业设计开题报告一份。
开题报告内容与学校模板要求一致,字数不少于2000字;经指导教师检查合格后才能进行后续工作。
3. 理清论文的总体思路,完成主要的研究工作:1) 以CY7C68013为核心,设计一个FPGA的最小系统,并在此基础上通过编写VHDL程序进行系统的开发。
2) 对数据采集,高频电路设计信号和电源完整性设计。
3) 提高数据采集总体设计方案。
4) 结合USB2.0接口的控制器CY7C68013芯片,采集系统进行硬件设计。
基于FPGA与CPCI总线的通用时统模块设计
各种频率信号、时间信息和各种采样脉冲信号,以确保测控设备
时统输入接口选择电路可以接收外部输入的差分 422 的时
的定时与靶场的时间基准保持一致。 通常的时统终端采用硬件 统信号,或者 TTL 级时统信号。 可以接收 B(DC)码或者秒脉冲
解调,基本采用分离元件和小规模集成电路,结构复杂,集成度 时统信号(可通过调线设置输入信号形式)。 板上有 6 路差分收
用户提出的要求,传统时统模块无法满足。
2.2 时统输出电路设计
2 通用时统模块硬件设计
本通用时统模块具有 4 种方式的时统信号输出。 包括 1 路
通用时统接口模块原理框图见图 1。
TTL 电 平 的 秒 脉 冲 输 出 ;1 路 TTL 电 平 的 频 率 和 脉 宽 均 可 自 设
置的同步脉冲信号输出, 以满足部分用户要求作为中断信号源
图 2 同步定时状态机转换图 本时统模块在上电状态初始化时便启动全局计数器, 当在 A1 状 态 或 在 A 状 态 , 以 板 载 温 度 补 偿 晶 振 产 生 的 精 确 的 50MHz 时 钟 (误 差<1Hz / 50MHz)对 输 入 时 统 进 行 循 环 计 数 直 到 A1 或 A 状态改变,计数值为 Count,在 Count 基 础 上 分 别 加 上 SET-Offset、SET+Offset 便可以设置下一个时统时钟周期上 升沿调变在允许误差范围内的计数最小和最大允许值, 其中 SET 为 50MHz 时钟对一个完整时统周期的计数值,Offset 为门 限误差。 以移动标尺方式对下一次外时统输入的沿调变设置了 允许误差范围。 如果在此限定的计数范围内出现一次上升沿跳 变,说明此时有外时统输入,该时统信号是有效的,并依据此上 升沿作为同步,向外提供各种同步时统信号,同步误差为一个计 数周期即 20ns。 假如在此限定的计数范围内没有出现上升沿跳 变,则产生一个错误标志位。 说明没有外时统信号输入,或者外 部输入时统信号无效,此时经由板载温补晶振产生的 50MHz 分 频后,产生所需要的各种时统信号,对外转发,做到自守时功能。 一旦有有效的外部时统输入,便可进入同步状态。 若没有有效时 统输入,立即转入自守时状态。
基于FPGA的数据采集系统设计
基于FPGA的数据采集系统设计引言数据采集系统在很多领域中都扮演着重要的角色,例如工业自动化、医疗设备、通信系统等等。
为了提高数据采集系统的性能和可靠性,使用FPGA作为其核心处理器是一个不错的选择。
本文将介绍如何设计一个基于FPGA的数据采集系统,包括架构设计、硬件设计和软件设计等。
一、架构设计一个基于FPGA的数据采集系统的主要架构包括传感器接口、数据处理模块和数据存储模块。
传感器接口负责将传感器的模拟信号转换为数字信号,然后通过数据处理模块进行数据处理和计算,最后将结果存储到数据存储模块中。
在传感器接口模块中,可以选择使用ADC(模数转换器)将模拟信号转换为数字信号。
ADC的选择需要根据采集系统的需求和传感器的特性来确定。
一般而言,高分辨率的ADC可以提高数据采集系统的精度,但会增加系统的复杂度和成本。
数据处理模块可以采用FPGA中的片上处理器(DSP)或使用FPGA的逻辑单元进行数据处理和计算。
使用DSP可以提高系统的处理能力和灵活性,但也会增加功耗和成本。
另一方面,使用FPGA的逻辑单元可以在保证性能的同时降低成本和功耗。
数据存储模块可以选择使用FPGA中的存储器或外部存储器。
FPGA中的存储器速度较快,但容量有限,适合存储少量实时数据。
如果需要存储大量数据,可以选择外部存储器,如SD卡、硬盘等。
二、硬件设计硬件设计是基于FPGA的数据采集系统的关键部分。
首先,需要选择合适的FPGA器件,根据数据采集系统的需求来确定FPGA器件的规格和性能。
其次,需要设计适配器板,将传感器信号接口与FPGA器件连接起来。
适配器板一般包括ADC、放大器、滤波器等电路。
最后,需要设计适配器板和FPGA器件之间的连线,保证信号的稳定和可靠传输。
硬件设计过程中还需要考虑功耗、成本和稳定性等因素。
功耗是一个重要的指标,特别是对于移动设备或电池供电的设备而言。
如何降低功耗是硬件设计中需要重点考虑的问题。
此外,成本也是硬件设计中需要考虑的因素之一,特别是对于大规模的数据采集系统。
基于FPGA 的数据采集系统设计
基于FPGA的数据采集系统设计Design of data acquisition system based on FPGA(桂林电子科技大学计算机与控制学院)林科龙超李平赵学军Lin Ke, Long Chao, Li Ping, Zhao Xuejun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作为采集系统的核心, 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。
关键词:数据采集;现场可编程逻辑门阵列;通用串行总线中图分类号: TP274 文献标识码: BAbstract: A set of data acquisition system which combined characteristics of high speeding FPGA was developed. The internal logic of FPGA was used to control time sequence. It took FPGA as the core to read the acquisition data, show and transmit data by USB interface. The system has a simple circuit structure, low power consumption and so on. It can be used as the acquisition system of pressure voltage, temperature parameters, voltage and current.Keyword: data acquisition; FPGA; USB1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。
基于FPGA的数据采集系统电路设计
基于FPGA的数据采集系统电路设计引言:数据采集是现代工程领域中一个重要的环节,数据采集系统可以将物理信号转化为数字信号,通过FPGA进行处理和分析。
本文将介绍一个基于FPGA的数据采集系统电路设计,包括电路的整体框图设计、关键模块的设计和实现。
一、整体框图设计整体框图设计是数据采集系统电路设计的第一步,它决定了整个系统的结构和功能。
一个基于FPGA的数据采集系统通常由以下几个主要模块组成:1.传感器接口模块:用于接收来自传感器的物理信号,并将其转化为电压信号。
2.模拟到数字转换模块(ADC):将模拟信号转化为数字信号,以便FPGA进行处理。
3.FPGA模块:用于对采集到的数据进行处理、分析和存储。
4. 存储模块:用于存储采集到的数据,可以通过RAM或Flash芯片实现。
5.控制模块:用于对整个数据采集系统进行控制和配置。
二、关键模块的设计1.传感器接口模块设计传感器接口模块是数据采集系统中与外部传感器连接的关键模块,它需要完成信号的放大和滤波等功能。
常用的传感器接口包括电阻分压器、运算放大器和滤波电路等。
2.模拟到数字转换模块(ADC)设计ADC模块需要将模拟信号转化为数字信号,并按照一定的采样率进行采样。
常用的ADC芯片有SAR(逐次逼近调制)型和Sigma-Delta型。
设计时需要考虑信号的精度、采样率和动态范围等参数。
3.FPGA模块设计FPGA模块是数据采集系统中最重要的模块之一,它可以实现对采集到的数据进行处理、分析和存储等功能。
设计时需要根据需求选择合适的FPGA芯片,并编写相应的逻辑电路代码。
常用的FPGA开发工具有Xilinx 的Vivado和Altera的Quartus等。
4.存储模块设计存储模块用于存储采集到的数据,可以选择使用RAM或Flash芯片进行存储。
其中RAM具有读写速度快、容量较小的特点,适用于对数据实时性要求较高的场景;而Flash具有容量大、读写速度慢的特点,适用于长期存储数据的场景。
基于FPGA的数据采集系统的设计
2 数据采集系统设计方案数据采集是数字信号处理中非常重要的环节。
对于不同任务,数据采集要达到的技术指标也不相同。
对于瞬间信号、雷达信号和图像处理都需要几MB/s甚至几十MB/s的超高速采集和传输速率。
目前用于PC机的数据采集卡大部分是基于ISA总线的,这种结构的最大缺点是传输速率太低,不能实现数据的实时高速传输。
PCI总线推出后,以其突出的性能备受计算机和通信业界的青睐,将取代以往的总线,成为高档机及高性能工作站外部部件的基石。
PCI作为局部总线,一边与处理机和存储器总线接口,另一边为外设扩展提供了高速通道。
33MHz、32位的PCI总线可以实现132MB/s的数据传输速率,64位的PCI总线性能加倍。
而且在一个PCI系统中可以做到:高速外部设备和低速外部设备共存,PCI总线与ISA/EISA总线共存。
处理机、Cache、存储器子系统经过一个PCI桥连接到PCI总线上。
此桥提供了一个低延迟的访问通路,从而使处理器能够直接访问通过它映射于存储器空间或I/O空间的PCI设备;也提供了能使PCI主设备直接访问主存的高速通路;该桥也能提供数据缓冲功能,以使CPU与PCI总线上的设备并行工作而不必相互等待;另外,桥可使PCI总线的操作与CPU总线分开,以免相互影响。
总之,桥实现了PCI总线的全部驱动控制。
扩展总线桥(标准总线接口)的设置是为了能在PCI总线上接出一条标准的I/O扩展总线,如ISA、EISA或MCA总线,从而可继续使用现有的I/O设备,以增加PCI总线的兼容性和选择范围。
一般地,典型的PCI局部总线系统中,最多支持三个插槽(连接器),但这样的扩展能力并不一定是必要的。
PCI接插卡连接器属于微通道(MC)类型的连接器。
同样的PCI扩充板连接器也可用在ISA、EISA及MCA总线的系统中。
开发以PCI总线为基础的数据采集设备是技术发展的必然要求。
在实际工作中,利用以PCI总线将采集数据直接传到系统内存,可有效解决数据的实时传输和存储,为信号的实时处理提供方便,本章从硬件设计入手探讨整个数据采集系统的实现。
基于FPGA的cPCI接口数据采集系统设计的开题报告
基于FPGA的cPCI接口数据采集系统设计的开题报告一、选题背景随着科技不断发展,各种大型科学实验和生产过程控制等需要对数据进行实时采集和处理的应用越来越广泛。
因此,对于高速数据采集系统的需求越来越迫切。
传统的数据采集方法多是使用单片机或DSP等处理器作为主控制和数据采集模块。
但是,这种方法存在一些缺点,比如采样频率受到处理器性能的限制、难以满足多通道采集等要求。
因此,使用FPGA作为数据采集系统的核心可以有效解决这些问题,具有灵活性高、处理速度快等优点。
在工业自动化控制系统中,cPCI接口作为一种标准化接口已经被广泛应用。
cPCI接口具有信号传输速度快、稳定性高等优点,因此用于高速数据采集系统开发具有广阔的应用前景。
本研究将基于FPGA实现一种基于cPCI接口的高速数据采集系统。
二、研究内容本研究的主要研究内容包括:1. 基于FPGA的高速数据采集系统原理和技术研究。
对于FPGA的特性、工作原理和常用设计工具等进行研究,以及基于cPCI接口的高速数据采集系统的原理、数据传输标准等进行研究。
2. 数据采集模块设计。
设计基于FPGA的数据采集模块,实现多通道数据采集以及高速数据传输功能。
同时,为了提高采集数据的精度和稳定性,设计合适的滤波电路来对采集的信号进行处理。
3. 数据传输模块设计。
设计数据传输模块,实现基于cPCI接口的数据传输功能。
需要对cPCI接口的标准进行深入研究,并根据其特点进行优化设计,以达到高速数据传输的能力。
4. 系统集成和测试。
将数据采集和数据传输模块进行集成,完成数据采集和传输系统的设计和开发。
对系统进行全面测试,以验证系统的稳定性和精度等性能指标。
三、预期成果完成基于FPGA的cPCI接口数据采集系统的设计与开发,达到以下预期成果:1. 成功实现基于FPGA的高速数据采集系统,具有优秀的性能指标,包括高速数据采集、多通道数据采集、数据处理等功能。
2. 搭建了基于cPCI接口的数据传输系统,具有高速稳定传输的能力。
基于CPCI总线的通用FPGA信号处理板的设计
基于CPCI总线的通用FPGA信号处理板的设计随着雷达信号处理技术的不断发展以及现代国防对雷达技术的需求,系统对雷达信号处理的要求也越来越高,需要实时处理更加庞大的数据。
先进的雷达信号处理设备不仅要求性能高、功能多样化,而且要求信号处理设备的研制、装备周期短,能保持与国际先进水平同步发展。
因此有必要发展一种可重构、可扩展的通用信号处理系统,能将雷达信号处理模块化、标准化、通用化。
这样,一方面可以通过硬件扩展来适应信号处理规模的变化,另一方面可以通过灵活的软件编程来实现各种信号方式和各种复杂算法。
FPGA 在雷达信号处理中比DSP 更具有优势,主要体现在以下几点:(1)专用设计的硬件电路实现数字信号处理算法可以最大限度地利用其并行性,可以达到比采用DSP 处理器串行运算高得多的运算性能,实时性更强;(2)一些新型的FPGA 可以实现大量的片内RAM,可以在传统的DSP 系统不能达到的高数据率下实现数据的传输和存储等操作;(3)功耗更低。
文中采用Ahera 公司最新、具有最佳性能、最大密度和最低功耗的高端FPGA StratixⅢ设计了基于CPCI 总线的通用FPGA 信号处理板,并在某雷达系统中进行了实际应用。
1 系统实现系统可以同时对8 路模拟信号进行处理,也可以同时对8 路数字信号进行处理,两种工作模式通过外部控制信号来进行自适应选择,系统框图,如图1 所示。
选用Altera 公司65 nm 工艺的高端FGPA 产品StratixⅢ系列的EP3SE1 10F1 152C4,StratixⅢ在功耗、性能、易用性和成本等4 大方面均有改善,其中可编程功耗技术能够在大幅降低功耗的同时达到高性能要求。
与前一代90 nm 工艺的Stratix II 器件相比,硬件体系结构提升和Quartus II 软件改进使StratixⅢ功。
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基于FPGA和CPCI的数据采集系统硬件电路设计
作者:金海平刁节涛
来源:《数字技术与应用》2013年第04期
摘要:本文设计了基于FPGA的CPCI总线的数据采集系统硬件电路。
关键词:FPGA CPCI 高速通信电路设计
中图分类号:TP274.2 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2013)04-0091-03
在工业现场信号采集处理领域里,随着数据量和对环境要求苛刻性的不断增加,对于数据采集处理平台的要求也不断提高。
将CPCI架构应用到数据采集处理平台,其本身所具有的通用性、热插拔、可扩展性、高可靠性等特性非常适合数据采集处理系统。
为了提高数据采集和处理效率,数据采集系统以FPGA为处理核心,加上高性能的数据转换芯片,实现各种信号的实时采集处理。
这种采用FPGA+CPCI总线混用的硬件系统把几个方面的优点结合到一起,既兼顾了速度和灵活性,又满足了底层数据实时同步采集和高层数据狭速运算的要求。
本文重点介绍基于FPGA和CPCI的数据采集系统的硬件电路设计与功能实现。
1 系统硬件框图
高速数据采集系统的硬件原理框图1所示。
由上图可知,高速数据采集系统主要由以下电路组成:多路开关控制电路、模拟信号调理电路、FPGA控制电路、存储电路、CPCI转换接口。
2 具体的硬件电路设计
2.1 多路通道选择电路设计
集成多路模拟开关芯片是程控增益放大等常用器件,其性能的好坏对系统的设计指标有着重要的影响。
在这里我们从经济和性能角度出发,选择ADI公司的ADG508。
ADG508为单芯片CMOS 模拟多路复用器。
ADG508根据3位二进制地址线A0、A1和A2所确定的地址,将8路差分输入之一切换至公共差分输出。
所有器件均提供EN输入,用来使能或禁用器件。
禁用时,所有通道均关断[1]。
ADG508均采用增强型LC2MOS 工艺设计,适合高速数据采集系统和音频信号开关应用。
接通时,各通道在两个方向的导电性能相同,输入信号范围可扩展至电源电压范围。
在断开条件下,达到电源电压的信号电平被阻止。
所有通道均采用先开后合式开关,防止开关通道时发生瞬时短路。
设计本身具有低电荷注入特性,当切换数字输入时,可实现最小的瞬变。
本设计中实现8路差分工作模式,多路开关电路设计如图2所示[2]。
如上图所示,八路通道号与外部模拟量相接,通道选择A0~A2和使能端EN与FPGA连接,通过FPGA可以实现对多路复用器进行开关控制和通道选择。
2.2 A/D电路设计
AD转化主要分为两个步骤:先实现连续时间信号离散化,这需要对连续时间信号进行采样,随后完成量化。
通常模拟信号通过50欧电阻传输,为了避免阻抗不匹配,在这里引入一个50欧匹配电阻,减少信号反射、振铃等问题,尽量保证信号无损失无失真地进入系统。
为了提高AD芯片的接收性能,抑制由电源和地引入的共模寄生噪声。
这里采用单端转差分电路,较少轨道塌陷和电磁干扰。
具体电路设计如图3所示[3]。
为了得到芯片最有性能,AD采样需要提供高质量低相位噪声的时钟信号,这里采用时钟芯片来直接产生。
2.3 存储部分
数据存储器读写模块用来对 AD6645采集后的数据进行存储及读取。
为了保证FPGA 控制核心与工控机通信一次性读取大量数据,本系统中用到了两片外部 SRAM
(KM681000BLP),其中一片用来对采集过来的数据进行存储,另一片用来读取存储在SRAM中的采集数据,以便与工控机进行通信[4]。
系统运行过程中,两片SRAM轮流进行读写操作,这将大大提高并口通信速度及数据吞吐量。
FPGA控制核心与KM681000BLP接口原理图如图4所示。
图中Data0-Data7为双向数据总线;We为存储器写信号,低有效,高无效;Oe为存储器读信号,低有效,高无效;Cs为片选,低有效,高无效。
本系统对两片SRAM(SRAM1、SRAM2)轮流进行读写是通过乒乓传输结构来实现的,该结构可以保证该系统通道采样和数据传输连续进行。
乒乓传输控制原理如图5所示[5]。
乒乓传输控制原理:输入数据流通过“输入数据流选择单元”,等时地将数据流分配到SRAM1、SRAM2中。
在第1个缓冲周期,将输入的数据流缓存到SRAM1[6]。
在第2个缓冲周期,通过“输入数据流选择单元”的切换,将输入的数据流缓存到SRAM2,与此同时,将SRAM1缓存的第1个周期的数据通过“输出数据流选择单元”的选择,送到“数据流运算处理模
块”被运算处理。
在第3个缓冲周期,通过“输入数据流选择单元”的再次切换,将输入的数据流缓存到SRAM1,与此同时,将SRAM2缓存的第2个周期的数据通过“输出数据流选择单元”的切换,送到“数据流运算处理模块”被运算处理。
如此循环,周而复始。
2.4 CPCI接口部分
本设计主控FPGA芯片是采用CPCI总线接口形式,我们采用PLX公司的PC工9045芯片实现FPGA与CPCI总线接口的无缝连接[7]。
2.4.1 基于FPGA的PCI总线设计分析
整个CPCI接口设计的思路为:FPGA通过协议转换芯片PCI9054,跟CPCI总线进行连接。
FPGA内部采取异步双口RAM来进行高速数据缓冲。
通过verilog HDL控制FPGA异步双口RAM,从而实现嵌入式CPU与CPCI板卡之间的高速传输。
PCI9054协议转换芯片的Local总线模式有三种,分别为M,J和C模式,本设计选用C 模式工作方式。
在这种工作模式下,9054芯片通过片间逻辑控制,将PCI的地址线和数据线分开,很方便地为本地工作时序提供各种高难工作方式,一般较为广泛的应用于系统设计中。
对于这种工作方式,设计者只要严格的把握时序的控制,把local端和PCI端的各种时序控制线的时序过程严格控制,就可以很好的应用9054芯片。
在C模式下,PCI9054协议转换芯片通过片内的逻辑控制单元将CPCI数据总线和局部地址进行分开。
这种方式可以灵活为FPGA,CPU等处理单元提供各种独立的工作方式,从而有效地降低系统开发的难度。
2.4.2 基于FPGA的PCI总线设计实现
PCI9054协议转换芯片支持DMA传输方式,主方式和从方式。
DMA传输方式的数据要快很多,对于FPGA控制来说从模式方式,更利于FPGA控制。
从模式传输方式的设置可以使CPCI总线上的其它主设备方便地访问PCI9054局部总线上的配置芯片和内存。
具体的传输示意图如图6所示。
2.5 电源设计
在本次设计中,基于PCI的数据采集卡上的所有芯片都采用3.3V电源供电。
但考虑到目前大部分PC机系统中只有SV的PCI插槽的现状,我们将PCI适配卡引脚组合设计为SV
型,并利用电压转换电路将主机板提供的5V电源换为3.3V电源(本次设计中我们使用的
LT1587),这样既达到了低功耗的目的,又实现了SV信号环境兼容。
而在设计基于CPCI的数据采集卡时,也采用了同样的处理方法。
电压转换电路如图7所示。
2.6 时钟设计
时钟电路框图如图8所示。
时钟网络中,MC100LVEP完成了主要的时钟产生功能,它的特点就是能同时接收两路差分时钟的输入,通过CLKSEL的高低电平信号控制来选择使用哪一路时钟;同时还在于它的多路差分时钟输出,共计10路,低抖动,低时钟偏差,完全符合本文设计的需要。
参考文献
[1]夏成海.基于Linux的嵌入式无线监测数据采集系统的设计:[硕士学位论文].北京邮电
大学,2011.
[2]张宏壮,王建民.基于Linux的嵌入式数据采集系统.微计算机信息,2008:20.
[3]陈立新,梁明.基于ARM和Linux的数据采集系统以其在电能质量监测中的应用.环境技术,2010:03.
[4]吴健.基于FPGA的PCI数据采集卡的研究与开发:[硕士学位论文].中南大学,2008:5.
[5]刘剑.基于PCI Express 和 DDRⅡ SDRAM 的高速数据传输系统的研制:[硕士学位论文].南京信息工程大学,2009:5-1.
[6]TooShanley、Don Anderson,PCI系统结构(第四版).电子工业出版社,2000.
[7]刘书明,苏涛,罗军辉.《TigerSHARC DSP应用系统设计》.电子工业出版社,2004.。