基于FPGA与USB2.0的便携式数据采集系统的设计

摘要

数据采集与处理技术，是微型计算机应用技术的一个重要组成部分，集传感器、信号采集与转换、计算机应用于一体，是获取信息的重要工具和手段，数据采集系统被广泛地应用于国民经济、国防建设和科学试验等特定领域。
　　目前国内外市场上的数据采集产品多为以单片机、DSP或者 FPGA作为采集系统的控制中心，以 PCI总线作为通讯总线的采集设备，这类采集卡受其总线的限制，易受主机内其他器件的电磁干扰并且不具有良好的便携性。此外，实时、高速、连续大量地采集存储数据是数据采集系统的一个关键性问题。针对上述问题，本文设计了基于FPGA与USB2.0的便携式数据采集系统。
　　本论文涉及数据采集技术基本理论、采集与处理芯片的使用、系统抗干扰等问题，文中首先对数据采集理论做了深入的分析，以数据采集理论作为系统设计的理论依据，在硬件系统中，采用模块化的设计思想，设计了信号调理电路、AD转换电路、时序控制电路、主控制电路以及接口电路等，系统使用FPGA（可编程逻辑门阵列）作为控制中心，控制信号调理电路以及AD转换电路进行数据采集，经过 FPGA内部数据处理单元，控制转换好的数据通过接口电路传送到上位机进行进一步的数据处理。在 FPGA内部采用自上向下、模块化的程序思想设计各外部模块的控制程序。在硬件电路的PCB设计中，遵循高速电路设计的准则，较好的解决信号完整性问题和电源完整性问题、使采集系统能够最大程度上发挥它的性能。软件设计部分包括了USB控制芯片FX2固件程序的编写，驱动的设计以及上位机交互界面的设计。上位机软件使用LabVIEW平台编写，其难点在于使上位机软件能够识别自己设计的采集卡，本设计采用了一种调用DLL的方法实现了LabVIEW对任何非NI的板卡进行通讯，使得LabVIEW极大的发挥了它强大的虚拟仪器控制的实现。
　　系统实现了数据的采集、传输以及显示的功能，并且具有体积小、便携式、实时性强、可靠性高及抗干扰能力较强等特点。作为一种便携式的数据采集及传输处理装置，使得工作人员实现移动作业，方便观察现场监控的电压或电流信号，达到了预期的效果。
　　同时，本文还提出了系统存在的一些不足之处以及改进措施，在后续设计中将会得到改善。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景以及研究意义

1.2 国内外发展现状

1.3 课题研究内容

第二章 数据采集系统关键技术的研究

2.1 数据采集系统结构研究

2.2 数据采集关键技术研究

2.3 数据采集系统的评价

2.4 本章小结

第三章 数据采集系统总体方案及硬件电路设计

3.1 数据采集系统总体方案

3.2 数据采集系统的外围硬件电路设计

3.3 数据采集系统的PCB设计

3.4 本章小结

第四章 数据采集系统控制程序设计

4.1 采集系统控制程序设计

4.2 系统的软件设计

4.3 本章小结

第五章 数据采集系统的测试

5.1 各功能电路的时序仿真波形

5.2 MATLAB下采集数据分析

5.3 使用在线逻辑分析仪ChipScope Pro对采集系统的调试

5.4 系统硬件调试

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

攻硕士期间取得的研究成果