基于FPGA的高速数据采集系统设计毕业论文

武 汉 纺 织 大 学毕业设计（论文）任务书课题名称： 基于 FPGA的高速数据采集系统设计 完成期限： 2012 年 3月 2日至 2012年 5月 25日 学院名称 电子与电气工程学院 专业班级 电子 082 学生姓名 陈 明 秀 学 号 0803741084 指导老师 王 骏 指导教师职称 讲 师 学院领导小组组长签字 一、课题训练内容采集系统的研制工作;以实现对模拟高频信号的处理和控制。课题选用现场可编程逻辑器件 FPGA技术，在 Altera 公司的 Quartus II 开发环境中应用 VHDL语言进行 FPGA的编程与仿真，研究各模块的设计方法和控制流程，结合USB2.0 总线接口技术，以期实现系统与 PC机连接，在 PC上对数据进行分析、显示和监控等，最后对系统性能指标进行验证。1. 培养学生通过图书馆、互联网等资源查阅相关资料（包括外文资料） ，训练学生自主获得知识的能力和自学能力；2. 培养学生把所学的知识用于实践并引申到相关专业知识上， 锻炼出自学能力；3. 锻炼学生外文阅读及翻译能力；4. 锻炼学生的自我创新能力； 5. 在书写论文的过程中，锻炼学生的语言组织能力、逻辑思维能力、办公软件使用的能力；6. 培养学生与人合作、相互交流的能力。二、设计（论文）任务和要求1. 大量收集与本课题有关的资料：到图书馆、各大书店寻找无线充电技术以及相关电路的资料，并认真进行阅读；到各大数据库和相关网站上搜索与本课题相关的学位论文和相关资料。2. 第四周前上交毕业设计开题报告一份。开题报告内容与学校模板要求一致，字数不少于 2000字；经指导教师检查合格后才能进行后续工作。3. 理清论文的总体思路，完成主要的研究工作：1) 以 CY7C68013为核心，设计一个 FPGA的最小系统，并在此基础上通过编写VHDL程序进行系统的开发。2) 对数据采集，高频电路设计信号和电源完整性设计。3) 提高数据采集总体设计方案。4) 结合 USB2.0 接口的控制器 CY7C68013芯片，采集系统进行硬件设计。4. 完成毕业设计论文，字数不少于 10000字。论文包含 11个部分：封面、任务书、开题报告、中英文摘要及关键词、目录、正文、参考文献、外文资料、中文译文、致谢共 10个部分。3、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料主要参数；采用 USB2.0总线接口进行数据传输；12bit的采样分辨率;参考资料:1 马明建.数据采集与处理技术M(第 2 版)西安:西安交通大学出版 2005:2-5.2 Uwe Meyer-Baese.数字信号处理的 FPGA 实现M. 刘凌，胡永生译.北京: 清华大学 出版社,2002:10-19.3 聂海霞,宋浩然.AD 在数据采集系统领域的新技术与发展趋势J.电子技术应用， 2007,(3):4-6.4 杨海刚,孙嘉斌,王慰.FPGA 器件设计技术发展综述J.电子与信息学 报 2010， 32(3):715-727.5 田书林，王志刚，王厚军.一种多通道高速数据采集精密同步设计方法 J.计量学 报，2010,31(1):68-70.6 买培培，苏涛，齐红涛.基于 FPGA 的多路信号处理设计J. 雷达科学与技术，2010, 8(3):234-238.7 吴振宇，常玉保，冯林.基于 FPGA 和 USB2.0 的数据采集系统J. 仪器仪表学报， 2006,27(1):125-126.四、毕业设计（论文）进度表武汉纺织大学设计（论文）进度表序号起止日期 计划完成内容实际完成情况检查人签名检查日期1 2012.3.5-2012.3.12 查找资料，了解 FPGA 的相关知识2 2012.3.12-2012.3.17确定设计方案，对采集系统进行初步计划。3 2012.3.17-2012.3.24 初步完成开题报告。4 2012.3.24-2012.3.30 确定 FPGA 采集设计芯片5 2012.3.30-2012.3.31 确定设计原理图，绘图完成6 2012.4.1-2012.4.7绘制 PCB 图，并对所绘 PCB 进行查错，确定无误后送去加工。7 2012.4.8-2012.4.18 进行硬件采集设计。8 2012.4.19-2012.4.25 上网查找编程器相关材料。9 2012.4.26-2012.5.12根据采样 AD芯片采用 AD9226，该芯片单电源供电采集10 2012.5.13-2012.5.20系统的联调完成撰写毕业论文所需工作，并制作 PPT。注：1.本任务书一式两份，一份院（系）留存，一份发给学生，任务完成后附在说明书内。2.“实际完成情况”和“检查人签名”由教师用笔填写，其余各项均要求打印，打印字体和字号按照武汉纺织大学（论文）规范执行。武汉纺织大学毕业设计（论文）开题报告课题名称 基于 FPGA 的高速数据采集系统设计院系名称 电子与电气工程学院 专 业 电子信息工程班 级 电子 082 班 姓 名 陈明秀一、课题研究的意义。随着科技与信息技术不断发展，使得信息采集、传输和存储的速度不断提高，数据存储的容量不断加大。在气象、雷达、天气预报、航天航空、通信等多个领域，要求的数据存储的实时性强，速率高，稳定性好，高速等大容量数据存储系统前景广阔。现在的数据存储系统多数还是基于传统 PC结构，这种结构在存储容量扩展性，存储速度，可靠性，容错性方面都有很大不足。对于许多行业，传统的设备已经不能满足需求。而高端领域基于服务器的磁盘阵列等的数据存储，主要应用于电信、金融等民用领域，存储速率虽然较高，价格也是极其高昂的。二、数据采集系统的发展现状随着计算机技术的快速发展和数字信号处理理论的日益成熟，比如信号处理速度翻了三番以及计算机总线带宽亦有了上百倍的提升，基于此，开发人员在设计采集系统时的设计难度得到很好的降低，减少了系统的开发周期，并且电子技术的发展和系统工艺的进步也使系统成本得到很好的控制。同时通用串行总线接口(USB)及 Avalon总线在数据采集系统中的应用日益增多，尤其 USB接口在计算机上已成为主流设备。因而借助于 PC的小体积、易携带的采集系统受到更多使用者的喜爱。随着电子技术的不断发展，为了提高数据处理系统的整体性能，具有高密度、高精度、高速度、低功耗和低价位的芯片正在成为主流应用发展趋势。一些 IC器件研发公司推出了采样速度达到 1GSPS的转换芯片，这也就使高速数据采集系统的实现成为可能。MAXIM 公司的 MAX108芯片，采样精度为 8bit，采样率可达1.5GSPS，带有片上 2.2GHz采样/保持放大器;美国仙童半导体公司生产的SPT7760系列器件，具有 8位采样精度，采样速率能够达到 1Gsps;美国国家半导体公司生产的 ADC08X300芯片，8 位采样精度，采样速率最大能够达到 3Gsps。这些新产品相对于老产品的成本更低。当前国外的高速数据采集器生产单位较多且仪器性能优良，比如频谱信号。处理公司的超高速数据采集和处理系统，具有分辨率 8bit、最高采样速率为200Msps;美国 Signatec公司推出的 PDA12A采集卡的采样速率为 125Msps、分辨率为 12bit。国外的采集器虽然在性能上有优势，但其价格非常昂贵。由于电子技术涉及的领域越来越广，国内市场对数据采集器的需求日益增多，近年来国内有些单位也制造出一些采集器，但是性能不高，价格却很高，普遍存在的问题是体积大，携带不便。因此，本文旨在设计具有携带方便，性能稳定，采集速率能满足大多数场所要求的高速数据采集系统。3、本课题的研究内容1.对课题的背景进行讨论，分析课题的目的和发展意义，分析课题所具有的优势，介绍课题的研究内容。2.对数据采集相关理论和技术进行设计，并分析高频电路设计中信号完整性和电源完整性的设计方法。3.根据项目要求，结合当前高速数据采集系统的发展现状，提出高速数据采集系统的总体设计方案。4.以可编程逻辑器件 FPGA为系统控制核心，结合具有 USB2.0接口的微控制器 CY7C68013芯片，对高速数据采集系统进行硬件设计。5.根据人机交互功能要求，对系统进行软件设计，研究基于 Lab VIEW的系统上位机界面设计及用 VHDL实现系统时序控制功能。四、研究方法及手段本文在深入了解高速数据采集系统设计，可编程逻辑器件 FPGA，USB 和数据转换等相关理论的基础上，基于实际工作需要，采用 Altera 的 FPGA芯片EP1C3T144和 FX2的 CY7C68013单片机设计完成了一个基于 FPGA的高速数据采集系统。应用可编程门阵列和单片机协同工作的方式，充分发挥两者的优点，使系统体积小、性能稳定，具有较高的性价比。1.系统硬件原理框图系统的原理框图如图1所示。FPGA芯片采用CY7C68013芯片、设计与USB2.0接口芯片采用。2.系统硬件电路设计FPGA 最小系统和数据的 USB 转串口传输是硬件电路设计的两个个核心。其中，FPGA 的最小系统主要包括电源电路、时钟电路、复位电路、配置电路、各接口电路。(1).电源电路的设计电源方面采用了两种供电方式：一是在 USB总线连接到 PC机上时，由总线电源 VBUS给系统供电，二是当系统脱离主机时，由外接的 5V直流电源供电。系统所需要的电压有 5V、3.3V、1.2V，3.3V、1.2V 电压通过稳压芯片 CY7C68013得到。(2)FPGA 配置电路的设计本课题选用的 FPGA芯片 EP1C3T144是基于 SRAM工艺的，SRAM 工艺的芯片具有很好的性价比，同时器件密度较高，缺点是掉电后配置信息将丢失，具体使用时需要外加专用配置芯片，每次上电都需要将配置信息加载到配置芯片中，配置数据正确时系统才能工作，EP1C3T144 芯片有专用的配置引脚，设计为何种模式由 MSEL管脚的电平信号决定。本系统设计过程中根据 Cyclone 器件具有的配置模式，优先选择了 JTAG和主动串行配置 AS( Active Serial)两种配置下载模式。(3).USB 转串口电路设计接口电路主要完成的工作是:把前端 A/D采集变换后的数字量，数据缓存在FIFO中，通过 USB2.0总线传送给计算机。本设计中 USB接口电路设计采用Cypress 公司的 CY7C68013芯片，该芯片内置了一个增强型 8051控制器，主要用于接收 AD转换器传送的采集数据并按 USB传送给 PC主机。3.系统软件设计由于 Lab VIEW 含有 NI 公司生产的数据采集卡的接口驱动信息，对于 NI 公司自己生产的数据采集卡两者可以轻松实现连接，而对于本文设计的数据采集器，Lab VIEW 不能直接驱动。为实现两者的通信，需要编写相应的驱动程序使之被Lab VIEW 所识别，利用 Lab VIEW 软件平台提供的 DLL 接口，通过调用编写的动态链接库(CLF)方式实现上位机与 USB 接口的通信功能。(1).FPGA 模块程序设计本系统中，FPGA 内部的 USB模块控制数据在 FPGA和 USB之间实现双向传送。利用 CY7C68013的 USB接口功能与 FPGA实现的 FIFO实现数据的传送。FIFO 模式的传输速度能够满足本系统数据存储和传输的要求，根据 CY7C68013提供的二种接口方式，SLAVE FIFO,端口模式和可编程 GPIF模式，本系统选用 SLAVE FIFO模式来实现与 FPGA进行数据的传输。(2)编程程序设计设计应用的是 USB的直通模式，68013 的固件编程主要包括 USB数据输入SLAVE FIFO模式的设置和上位机控制命令的响应程序两个部分。编程环境为Keil，整个工程的建立需要引入如下几个文件:1. FW.C负责设备连接，重枚举设备初始化等过程。实际上它是整个工程执行的主程序 main（） 。2. PERIPH.C 负责响应各种中断事件。3. DSCR.A51 定义了 USB设备握手时需要的各种描述符。4. FX2REGS.H 定义了 USB中所有的寄存器。5. FX2.H 定义了各种二级中断向量和描述符的数据结构。6.*.C文件是需要自己编写的功能函数。(3).VHDL 程序设计FPGA内部的 FIFO存储模块负责在 68013的 USB与 ADC采集芯片之间的数据传输与控制。而 USB接口模块则根据 FIFO中的数据状态标志，把缓存的数字信号通过 USB传给计算机。也就是说 FPGA产生数据采集、信号调理、FIFO 和所需的全部控制信号。实现对传输数据的缓存存储、读入写出控制、时钟信号以及对 ADC的控制等功能模块。在本文设计的数据采集系统中，FPGA 内部被划分为四个主要模块:FIFO, USB 接口控制、ADC 转换控制和分频模块。五、研究步骤本课题涉及到系统硬件电路设计和软件编程，基本的研究步骤如下：1. 了解所需要的知识，确定基本方案。2. 对设计中需要用到的器件进行选型，详细了解并翻阅其规格说明书。3. 翻阅资料，了解所选控制器的内部资源及结构，并熟悉它的使用方法和编程技巧。4. 查阅各功能模块所使用的器件的相关资料，进行具体电路设计并绘制原理图。5. 编写各子功能模块的程序，并做好时序仿真。6. 将编译通过的程序下载到检测好的硬件电路上进行各模块调试。7. 各模块调试通过后进行系统联调。8. 完成设计。六、主要参考资料1 马明建.数据采集与处理技术M.(第 2版).西安:西安交通大学出版社，2005:2-5.2 信号分析与处理 M.北京:北京清华大学出版社,2006:3-7.3 Uwe Meyer-Baese.数字信号处理的 FPGA 实现M.刘凌,胡永生译.北京:清华大学出版社，2002:10-19.4 聂海霞，宋浩然.AD 在数据采集系统领域的新技术与发展趋势J.电子技术应用，2007 , (3): 4-6.5 杨海刚，孙嘉斌，