基于FPGA和STM32的数据采集系统设计

1 绪论

1.1虚拟仪器的背景

现在客户对于测试的需求越来越大。随着创新的步伐越来越快，希望更多具有竞争力的新产品更快投入市场的压力也越来越大。消费者的期望在不断地增高。以电子市场为例，消费者要求不同的功能可以更低的成本在一个更小的空间得到集成。近年来经济的低迷并没有阻止革新的需要，但是却要求使用更少资源。满足这些需要是商业成功的一个因素——能够快速、一贯并且最可靠地满足这些需要的公司一定能在竞争中占有决定性的优势。所有这些条件都驱使着对新的验证、检验和生产测试技术的高要求。一个能与创新保持同步的测试平台不是可有可无的，而是必需的。这个平台必须包含具有足够适应能力的快速测试开发工具以在整个产品开发流程中使用。产品快速上市和高效生产产品的需要要求有高吞吐量的测试技术。为了测试消费者所要求的复杂多功能产品需要精确的同步测量能力，而且随着公司不断地创新以提供有竞争力的产品，测试系统必须能够进行快速调整以满足新的测试需求。

虚拟仪器是应对这些挑战的一种革新性的解决方案。它将快速软件开发和模块化、灵活的硬件结合在一起从而创建用户定义的测试系统。

模拟式仪器是指针式的，它基于电磁原理进行测量；数字式仪器则适应了快速响应和高精度的要求，将对模拟信号的测量转化成为对数字信号的测量来显示测量结果；智能化仪器仪表则运用了微处理器芯片，通过将程序固化在ROM中以及将测量结果储存在RAM中自动完成各种测量功能。它的功能模块全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，相对虚拟仪器而言，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟示波器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革。

虚拟示波器的出现改变了原有的示波器的整体设计思路，用软代替了硬件。将传统仪器由硬件实现的数据分析与显示功能能，改由功能强大的微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不同方式（如数据、图形、图表等）表示测量结果，完成各种规模的测量任务。并具有存储、再现、分析、处理波形等特点，而且体积小，耗电少的功能。

1.2 虚拟仪器的发展现状

虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司（NI公司）为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯福坦大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线，以及已经被PC机广泛采用的USB串行总线和IEEE1394总线（即Fire wire，也叫做火线）。世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了

大量的软件以及适应要求的硬件（插件），可以灵活的组建不同复杂程度的虚拟仪器自动检测系统。传统仪器有复杂的工艺问题和知识产权问题，发达国家的传统仪器市场已具有相当规模。而虚拟仪器是一个全新的领域，大力发展虚拟仪器技术可以略过传统仪器的发展阶段，迅速进入虚拟仪器发展阶段，与国外大公司处于同一起跑线，形成跨越式发展。目前，虚拟仪器技术在中国越来越受到人们重视，研究高潮方兴未艾，应用范围越来越广，虚拟仪器技术必然会有突飞猛进的发展。

1.3 选题目的和意义

1.3.1 选题目的

（1）培养毕业生综合运用所学专业知识解决实际问题的能力；

（2）使毕业生初步掌握开展科学研究的工作步骤和基本方法；

（3）培养毕业生正确表达技术路线和研究成果的能力（写作和口头表达）；

（4）初步培养毕业生探索科学技术前沿问题的兴趣；

（5）掌握虚拟示波器开发过程

1.3.2 选题意义

传统示波器是由仪器厂家设定并定义好功能的一个封闭结构，它有特定的输入输出和仪器操作面板，具有波形显示、参数测量等功能。当要实现更多的测量功能时，就要配置更多的仪器，这给用户的使用带来很多的不便，并且传统示波器的测量精度比较低，无法满足高精度的测量要求，而且传统的示波器缺乏相应的计算机接口，配合数据采集及数据处理比较困难。此外传统示波器比较庞大，制造成本比较高，这就增加了测量系

统的开发成本。

虚拟示波器的出现改变了原有的示波器的整体设计思路，用软件代替了硬件。将传统仪器由硬件实现的数据分析与显示功能能，改由功能强大的微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不同方式（如数据、图形、图表等）表示测量结果，完成各种规模的测量任务。并具有存储、再现、分析、处理波形等特点，而且体积小，耗电少的功能。

虚拟示波器携带方便，应用灵活，可以根据自己的应用重新更新仪器的功能。利用虚拟示波器所做的任何测量，都是归结为对电压的测量。虚拟示波器可以测量各种波形的电压幅度，既可以测量直流电压和正弦电压，又可以测量脉冲或非正弦电压的幅度。更有用的是它可以测量一个脉冲电压波形各部分的电压幅值，如上冲量或顶部下降量等。这是其他任何电压测量仪器都不能比拟的。虚拟示波器可以测量信号的频率。通过采集的信号进行存储后，利用处理器对数据提取并处理，计算出信号的频率以及周期等。

1.4 论述内容

设计一种基于FPGA和STM32的虚拟数据采集系统，实现现场数据的采集、传输和存储。数据采集和处理过程主要由三部分构成：（1）由前级放大电路进行信号的调理，对数据衰减或放大来满足AD转换的要求；（2） AD转换部分由80MHz的AD转换芯片进行模拟到数字信号的转换；（3）控制和数据处理部分采用两种方案：①由FPGA控制，采用Verilog HDL语言设计FIFO缓冲数据区和FIFO、AD转换的时钟分频电路，通过USB 芯片CH372将采集数据传输给上位机进行进一步处理，另外还有前级放大倍数的控制和AC/DC选择也可以由FPGA控制，FPGA接受上位机传来的指令分析判断后输出相应的放大倍数控制电平和AC/DC选择电平；②在STM32中实现数据处理、传输以及放大倍数和AC/DC的选择，并在PC机中开发上层数据管理软件，实现数据的显示、存储并能给单片机和FPGA发送指令。电路设计方法简单、可靠性高，能满足实际应用的要求。