多路数据选择器

基于FPGA的多路数据采集器的设计

李庭武李本印

（陇东学院电气工程学院，甘肃庆阳745000）

摘要：数据采集是从一个或多个信号获取对象的过程，它是计算机与外部物理世界连接的桥梁，尤其在恶劣的数据采集环境中得到广泛应用。本课题主要研究利用FPGA把采集到的八路模拟信号电压分别转换成数字信号，在数码管上实时显示电压值，并且与计算机运行的软件示波器连接，实现电压数据的发送和接收功能。

关键词：FPGA；模数转换；数码显示管；键盘；设计

Design of multi-channel data terminal Based on FPGA

Li Tingwu Li Benyin

(Electrical Engineering College, Longdong University, Qingyang 745000, Gansu, China)

Abstract: Data acquisition is a process that access to the object from the one or more signal, it is the bridge between the computer and the external physical world, and especially widely applied in data acquisition in harsh environment . This essay mainly studies on the usage of FPGA to collect the eight analog signals that are converted to digital voltage signal, digital tube display real-time voltage value. Connecting with the computer running software oscilloscope so that to realize the voltage data sending and receiving function.

Keywords: FPGA; analog-to-digital converting chip; digital display tube; keyboard; design

0 引言

20世纪以来，数字信号处理技术已逐渐渗透到通信、家电、军事等各个应用领域。数据采集系统由数据输入通道，数据存储与管理，数据处理，数据输出及显示五个部分组成。

本设计以FPGA 为控制核心，通过模数转换器（ADC0809）对0~7通道的数值进行循环检测，实现多路数据采集的目的。

若需要对数据进行处理时，通过切换键将控制单元的功能转换到数据处理功能，将采集到的电参量信号进行转换、放大、滤波、调零等处理，使之成为适合A/D 或者显示记录仪器所需要的电压信号并应用数码管将其显示出来或上传至计算机。

由于整个系统的控制采用FPGA 实现，因此可以依据现场的具体情况，对此系统进行修改、调试，故其具有组织方式灵活的特点。适合用在要求采集通道多、精度高，但速率不高的数据采集中，是一种比较理想的实时数据采集系统。

1系统设计

系统设计框图如图1.1所示，数据采集器的第一路输入自制1~5V 直流电压，第2~7路分别输入来自直流电源的5V 、4V 、3V 、2V 、1V 、0V 直流电压（各电压可由分压器产生，不要求精度），第8路备用。各路模拟信号分别转换为8位二进制数字信号。用串行码送入传输线路。主控器串行传输线路对各路数据进行采集和显示。采集方式包括循环

采集（即1路、2路、……8路、1路……）和选择采集（任意一路）。显示部分能同时显示地址和相应的数据。利用电路补偿提高电阻变化与输出电流电压变化的线性关系。

基于FPGA 的I/O 端口多、频率高，低功耗等优点，适用于有严格时序要求的多路数据采集系统，本设计采用FPGA 构建多路数据采集系统核心控制电路，主要完成A/D 转换及数据的采集、传输。FPGA 采用虚拟的ADC 接口与ADC0809进行通信。FPGA 与ADC0809之间的通信可以采用中断方式，当数据转换好以后，BUSY 引脚由高电平变为低电平从而产生中断信号。同样也可采用查询方式，不断查询ADC0809的通信寄存器的BUSY 位是否为0，如果为0，则将数据缓冲器中的数据保存到数组中。本系统采用中断方式，FPGA 与ADC0809之

现

场信号产生器

八

路数

据采集器

主 控 器 地址显示

数码显示

图1.1系统原理框图 地址 数据 时钟

间的通信采用四线连接方式。

ADC0809主要包括5个信号：CS ，BUSY ，DIN, D0UT ，SCIK 。其中，CS 接地，使ADC0809总处于选通状态。由于选择中断方式，所以BUSY 与串行数据转并行数据模块的复位信号reset 连接。DCIK 的输入是分频模块提供的lkHz 的频率。DOUT 与串行数据转并行数据模块的输入El 连接。AINl/AIN2：通道和模式寄存器；st6：将20H 写进模式寄存器中，选择自校准再恢复模式；st7：将0CH 写进通信寄存器中，选择了AIN1/AIN2通道和下一次操作读通信寄存器的0/DRDY 位；st8：读通信寄存器的0/DRDY 位；st9：将5CH 写进通信寄存器，选择AIN1/AIN2通道和下一次读数据寄存器中的数据；stl0：读数据寄存器中的值ADC0809工作状态控制。

用键盘进行控制采集通道的选择，4-F 键为功能键，4-E 键为复位键，F 键为确认键，1－3键为通道选择键。当按下“1” 键选通ADC0809的1通路将实时采集到电压值通过模数转换并送到FPGA 进行处理处理，显示出此时的数据和地址值。当按下“2” 键选通ADC0809的2通路将实时采集到电压值通过模数转换并送到FPGA 进行处理处理，显示出此时的数据和地址值。当按下“3” 键选通ADC0809的3通路将实时采集到的电压值通过模数转换并送到FPGA 进行处理，显示出此时的数据和地址值。在显示出各通路采集到的电压值和地址值的同时还实现了与PC 机的串行通信。ADC0809与FPGA 是总线连接方式，端口地址为0x7fff 。在通路选定后，转换开始时变低，只有在EOC 变为高电平是转换才结束，继而从端口读出相应的值。

多路数据采集系统采用ADC0809模数转换器作为数据采集单元和FPGA 来对它们进行控制,不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高采集数据的灵敏度及指标。多路数据采集系统就是通过键盘控制选择通路，将采

集到的电压模拟两转换成数字量实时的送到FPGA 里处理从而显示出采集电压和地址值。

2硬件设计

2.1 正弦信号发生器

自制的正弦信号波发生器如图3.1所示。它由方波发生器、三角波发生器和低通滤波器组成，1O U 输出正弦波，

3

441

R R RC f ⨯=

, 3

2

1

8

4

3

2

1

8

4

3

2

1

8

4

100K

50K

2K

10K

0.01uF

0.47u F

100K

R2

2K

6K

R1

2K Uo1

+15V

+15V

+15V

-15V

-15V

-15V

图 2.1 正弦信号发生