基于FPGA的高精度实时数据采集系统设计

摘要

随着数据采集在现代工业及科学研究中的重要地位日益突出，人们对于数据采集设备的要求也不断提高。在信号测量、图像处理、音频信号处理等一些高速、高精度的测量中，都需要进行高性能数据采集。传统的设计方法的优点是:技术成熟，可选的芯片很多，设计经验积累丰富。但传统的设计方法也存在外围芯片多，PCB面积较大，可靠性相对不高；不易升级与改进;成本高;受芯片限制，设计灵活性差，可扩展性差，可靠性相对不高等缺点。
　　传统的高速数据采集系统一般多是采用PCI或 ISA作为系统的总线，这些采集系统存在不少缺点，如安装烦琐，价格昂贵，尤其是受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差等。
　　USB是一种新式总线接口标准，具有高速、.可靠、可扩展、即插即用等特点。USB2.0协议中，数据的最高传输速率提高到480Mbps，这就使通过 USB实现快速传递大容量数据的外设成为现实。而FPGA芯片因其工作频率高、设计周期短、成本低廉、可重复擦写、可扩展性好、内部资源丰富可以集采集、转换及数据传输通讯于一体等优点，可解决传统设计方法中外围芯片多、不易升级和维护、设计灵活性差、扩展性不好，可靠性不高等问题。因此，本文 USB和FPGA两者的优点，设计了具有较好应用前景的基于FPGA的高精度实时数据采集与传输系统。
　　论文在阐述了系统的整体设计思路的基础上，对电路所选芯片的结构和性能进行简单的介绍。选用具有22位高分辨率的A/D转换器 ADS1212作为采集转换器，由于ADS1212的精度非常高，所以要求外接电源干扰非常小，采用三级稳压的方式来为ADS1212提供稳定的电源电压。然后提出了系统的软硬件设计与实现的方法，设计出了具有22位分辨率的高精度数据采集系统。利用FPGA作为控制器，控制 A/D转换、增益设置、通道选择等。利用FPGA内部的RAM设计了先入先出(FIFO)存储器，充分利用系统资源，减少了外围电路，为电路调试及制版带来了极大的方便。同时也提升了系统的采集速度和集成度，达到了实时采集的目的。系统采用Verilog语言编程，在在QUTUSⅡ7.2中完成编译和综合，并在ModelSim SE6.1b进行了波形仿真，并给出了FPGA控制 A/D转换、增益设置、通道选择、串并转换、存储器等的波形仿真图。

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第一章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 选题的国内外研究现状及水平

1.3 本文所做的工作

第二章 相关技术介绍

2.1 数据采集的相关理论

2.2 可编程逻辑器件简述

2.3 片上系统(SOPC)概述

2.4 USB 总线技术概述

第三章 数据采集系统硬件电路设计

3.1 系统概述

3.2 系统性能指标

3.3 信号调理模块

3.4 模数转换模块设计

第四章 FPGA 设计

4.1 FPGA 及其开发流程

4.2 FPGA 的设计流程

4.3 FPGA 芯片的选取

4.4 功能描述

4.5 存储电路设计

4.6 本章小结

第五章 数据采集系统软件设计

5.1 固件程序

5.2 驱动程序

5.3 应用程序

5.4 本章小结

第六章 结论

第七章 下一步的工作及展望

致谢

攻读硕士学位期间所发表的文章

参考文献

附录

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