基于ARM和FPGA的高精度数据采集控制及处理系统设计

摘要

近年来，数据采集系统广泛应用于军事应用、国防建设、航空航天以及工业控制等领域。随着传感器技术和通信技术的快速发展，对于数据的采样精度要求也越来越高。本文研制的基于ARM+FPGA的多通道高精度数据采集控制与处理系统，能够有效直观检测多通道模拟通道的高精度数据结果，通过与多功能八位半万用表测量数据比对验证系统模拟差分通道直流精度性能指标为十万分之二。 本课题设计根据姿态测试系统项目需求，研制基于ARM+FPGA的数据采集控制与处理系统，可以实现对多通道微弱信号的高精度测量，具有高精度的特点。 本论文首先介绍了高精度数据采集系统的研究背景和国内外发展现状，然后从数据采集控制与处理系统的测试功能和指标需求出发，设计了数据采集控制与处理系统的总体设计方案，并给出了相应硬件设计和软件设计方案。具体工作内容有： 1.高精度数据采集控制系统硬件设计。根据姿态测试系统项目要求，所需测试的信号包含3路电压信号，2路电流信号，3路电平信号以及6路数字信号。因此本课题设计了16路模拟通道以及6路数字通道的数据采集控制硬件电路设计。 2.高精度数据采集控制与处理系统软件设计。本文主要从系统数据流读取及控制和采集之后数据处理算法两方面对系统进行软件优化设计。数据流读取及控制软件设计主要由ARM和FPGA来实现；采集之后数据处理及算法设计主要由ARM、FPGA以及人机交互软件实现。 最后，对高精度数据采集控制与处理系统功能和指标进行测试与验证，同时给出了系统完成测试的结果。姿态测试系统已通过用户验收，验收的测试结果表明高精度数据采集控制与处理系统功能与指标均满足要求。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 课题的国内外发展现状

1.2.1 国外发展现状

1.2.2 国内发展现状

1.3 课题研究目标和研究任务

1.4 论文的结构安排

第二章 数据采集控制及处理系统总体方案及硬件电路设计

2.1 需求分析

2.2 系统总体方案概述

2.3 数据采集控制及处理系统的硬件设计方案

2.3.1 数据采集控制及处理电路方案

2.3.2 数据传输接口电路方案

2.4 噪声及误差分析

2.4.1 电阻噪声及误差

2.4.2 ADC噪声及误差

2.4.3 放大器噪声及误差

2.4.4 噪声总结

2.5 难点及关键技术分析

2.5.1 难点分析

2.5.2 关键技术分析

2.6 数据采集控制及处理模块的软件方案

2.7 系统硬件电路设计

2.7.1 数据采集控制电路设计

2.7.2 数据传输接口电路设计

2.8 本章小结

第三章 数据采集控制模块软件设计

3.1 控制模块总体软件设计

3.2 系统自检设计

3.3 AD数据读取控制设计

3.3.1 ADC初始化

3.3.2 FPGA读取AD7768数据逻辑设计

3.3.3 ARM读取FPGA并行数据设计

3.4 数字传感器数据读取设计

3.4.1 数字陀螺仪传感器数据SPI读取设计

3.4.2 温湿度传感器数据I2C读取设计

3.5 数据传输通讯协议设计

3.5.1控制访问命令协议

3.5.2应答命令协议

3.5.3数据上传协议

3.6 本章小结

第四章 数据处理模块软件设计

4.1 数字滤波设计

4.1.1 数字传感器中改进的防脉冲干扰平均滤波设计

4.1.2 可级联滤波器设计

4.2 数据校准设计

4.2.1 误差分析

4.2.2 误差校准补偿

4.3 本章小结

第五章 测试与验证

5.1 测试平台介绍

5.2 处理模块性能测试

5.2.1 数字抽取滤波器性能测试

5.2.2 级联FIR数字滤波器后性能测试

5.2.3 级联算术平均滤波器后性能测试

5.2.4 级联改进滑动平均滤波器后性能测试

5.2.5 数字传感器滤波性能测试

5.3 指标测试

5.3.1 直流电压精度测试

5.3.2 直流电流精度测试

5.3.3 系统时漂测试

5.3.4 系统温漂测试

5.3.5-3dB带宽测试

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果