基于FPGA的高速数据采集系统设计毕业论文.doc

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12012.3.5-2012.3.12查找资料，了解fpga的相关知识22012.3.12-2012.3.17确定设计方案，对采集系统进行初步计划。32012.3.17-2012.3.24初步完成开题报告。42012.3.24-2012.3.30确定fpga采集设计芯片52012.3.30-2012.3.31确定设计原理图，绘图完成62012.4.1-2012.4.7绘制pcb图，并对所绘pcb进行查错，确定无误后送去加工。72012.4.8-2012.4.18进行硬件采集设计。82012.4.19-2012.4.25上网查找编程器相关材料。92012.4.26-2012.5.12根据采样ad芯片采用ad9226，该芯片单电源供电采集102012.5.13-2012.5.20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，王魏.fpga器件设计技术发展综述j.电子与信息学报，2010,32 (3) 715-727.6 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): 68-70.7 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): 234-238.8 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): 125-126.9 刘小林，范育兵，罗春晖.基于fpga的多通道数据采集系统设计j.电子技术应用，2009, 35(7): 42-44.10 黄善文,王学军.基于usb和fpga的数据采集系统设计j.船舶电子工程, 2009, 30(9)： 126-129.11 douglas brooks.信号完整性问题和印制电路板设计m.刘雷波，赵岩译.北京:机械工业 出版,2005:101-103.12 秦剑,余群.基于高速pcb电路的信号完整性分析与设计j.电子质量，2007，(5): 81-83.13 苏海冰，张刚，郭帅.高速数字电路的信号完整性与电磁兼容性设计j.单片机与嵌入 式系统应用，2010(5)：13-17.14 张伟，韩一明，吴新玲.基于fpga的高速数据采集系统的设计j.电力情报，2002, (3);46-49.15 周军，李广波，董强.基于fpga的高速数据采集系统的设计c.中国电机工程学会.中 国电机工程学会第十届青年学术会议，吉林2008:2144-2147.16 刘昌伟，邵左文，毕文.基于lab view的usb接口多路高速数据采集系统的设计j 世界电子元器件，2008(12);85-88.17 郑业民，董小舟.可编程逻辑器件开发软件quart us iim.北京:国防工业出版社， 2005;12-15.18 刘伟周，张文栋，任勇峰.基于ad9226的高速数据采集系统的设计j.测试技术学报， 2004,9(18);169-172.19 温国忠.jtag接口电路设计与应用田.微计算机信息，2007，3(8): 298-302.20 胡凯，龚莉萍.基于usb2.0的数字高速采集设备设计j.通信技术,2009，42(7)：45-47. 21 白同云，吕晓德.电磁兼容设计m.北京:北京邮电大学出版社，2002；2-322 孙继业，赵亦工.高速数字系统印刷电路板的设计要点j.电子工程师 2001，27（12） 51-54.23 雷海卫，刘俊.fpga中软fifo设计与实现j.微计算机信息20081(24): 207-208. 指导教师签名： 年 月 日 摘 要 随着微电子技术和计算机技术日新月异的发展，对连续模拟信号的数字化处理已经渗透到科研、生产和生活的各个领域，因此数据采集与处理系统的应用日益广泛。在工业生产和科学研究中，对数据采集系统的性能要求越来越高，具备更高采集精度和速度的数据采集系统越来越受到青睐。 本文应用现场可编程门阵列高速、高密度和设计灵活的特性，设计了一种基于fpga的高速数据采集系统，该系统以fpga作为整个系统的控制、处理核心，完成对ad转换的数据进行存储和传输，最后用usb2.0总线传送给计算机进行处理、分析和显示。fpga作为系统的核心控制芯片可提高系统稳定性、减小设备体积。 论文提出了高速数据采集系统的设计实现方案，分为硬件设计和软件设计两部分。硬件设计主要包括电源电路、fifo存储模块、ad采样及调理电路和usb接口电路的分析与设计;软件设计包括应用vhdl语言实现fpga的时序控制和使用lab view设计上位机界面，接收、显示采集的数据信息。其中，vhdl采用自上而下的设计的方法，分模块完成fpga的逻辑功能。 最后将软硬件结合实现系统并进行了系统调试，应用测试其采集速度和精度表明系统符合设计目标。系统体积小、携带方便，可以应用于工业测控、通信、医疗等信号处理领域，具有很高的性价比和较广泛的应用前景。 关键词：fpga; 数据采集; fifo; usb; labview abstract along with the fast development of microelectronic technology and computer technology, the digitization of continuous analog signal has been applied to the scientific research, production and living field, and also the data acquisition and process system based on it is applied widely. because then requirement of performance data acquisition and process system is increasing, it is becoming very popular that has higher accuracy and speed of collecting data. in this paper, i design a high-speed data acquisition system. the system bases on the fpga performance of high-speed, high density, high systemic stability effectively reducing device size and flexible design. firstly, i use fpga as the system core of control and process. secondly, i finish the storage and transmission of the a/d convert data. finally, using usb2.0 sends data to computer for processing, analysis and display. the proposed design scheme of high-speed data acquisition system can be divided into hardware design and software design. the systemic hardware circuit design mainly includes power supply circuit, fifo storage circuit, a/d sampling circuit a/d conditioning circuit and usb interface circuit. in each module circuit, i have completed module circuit analysis, schematic design, hardware design and debugging. in the system software design，using vhdl language has completed the fpga sequential control. the computer interface is designed by lab view software. based on the top-down design method of vhdl language,the divided modules completes the fpga logic function. i use the lab view graphical programming language to design human-machine interface for receiving and displaying the collecting data. finally, i combine the hardware with software to realize the complete high-speed data acquisition system, and then carry out the systemic debugging. by the test case, it shows that the system accords with design target in acquisition speed and accuracy. the system is small size, easy to take, can be applied in industry measurement and control, communication, medical and signal processing field, has the very high performance-to-price ratio and the widespread application prospect.keywords ：fpga; data acquisition; fifo; universal serial bus; labview目 录1 绪 论1 1.1发展背景和意义 2 1.2国内外发展现状 2 1.2.1数据采集技术的发展现状2 1.2.2数据采集的应用和发展2 1.3课题内容32 数据采集与电路设计5 2.1数据采集理论分析 5 2.1.1奈奎斯特采样定理 5 2.1.2信号完整性 6 2.1.3电源完整性 73 系统总体设计方案8 3.1系统总体方案设计和性能指标 8 3.2.1硬件系统 9 3.2.2数据采集方案11 3.2.3 usb通信接口12 3.3软件系统12 3.3.1硬件描述语言vhdl13 3.3.2 fpga内部原理图 14 3.3.3 lab view软件应用154 系统硬件设计 16 4.1硬件整体设计16 4.2信号调理电路16 4.3数据转换电路17 4.3.1主控芯片的选取174.3.2数据转换原理图设计18 4.4 fpga设计 19 4.5 usb接口电路设计23 4.6电源设计24 4.7 pcb抗干扰设计255系统软件设计28 5.1 vhdl设计 29 5.1.1 ad控制模块设计 29 5.1.2时钟控制模块30 5.1.3 fifo控制模块 31 5.1.4 usb接口控制模块设计32 5.2 68013固件编程33 5.3 labview设计流程图34 5.4系统应用界面设计35结 论38参考文献 39致 谢411 绪 论1.1发展背景和意义 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。 如今,大规模集成电路和高性能fpga的飞速发展,为磁盘阵列开发提供了另一种崭新的模式。充分利用fpga编程灵活的特点，使用fpga实现磁盘协议生成相应ip核，通过ip核的调用，可以组成任意的磁盘阵列形式，配合前端的高性能a/d器件，可以组成较为完善的数据采集存储系统。新的磁盘阵列raid。在数字信号处理领域中，随着器件的不断更新和发展，芯片处理速度越来越快，在某些场合和领域中对数据采集速度也有更高的要求，这就使得高速数据采集系统应用越发广泛。在高速数据采集系统中，其核心器件是a/d转换器，高采样率、高精度的a/d转换器性能决定了其高速数据采集系统的性能，同时为了解决采样后续处理速度问题，也需要后续处理采用高速处理芯片。 用数学理论和数字方式对信号进行采集、转换、滤波、分析、编码和识别等处理，进而变换为我们需要的信号形式的方法称为数字信号处理，计算机和专用处理器是数字信号处理常采用的两种设备，前者主要应用在大型实验室和理论研究方面;专用处理器在工业控制的相关领域应用较为广泛。目前完成常用的专用处理器有两个途径，一是应用微处理器dsp结合软件编程完成，二是使用现场可编程门阵列fpga通过可编程逻辑语言编程来实现，虽然软件编程具有很大的灵活性，但由于dsp微处理器的指令是单周期的，它的操作数有限且受限于指令的串行模式，因而对于大规模高速运算和处理不适用。当前大容量、高速高密度的fpga采用硬件描述语言c vhdl, verilog hdl等)来实现整个系统，设计人员通过可编程逻辑器件能够应用并行处理技术完成对高速信号的采集、处理和分析，使用可编程逻辑语言通过模块化设计就可以达到设计者期望的性能和指标，很好的解决了高速信号处理过程中出现的问题。 现代高速信号处理技术及算法理论已经研究成熟，设计者只需要研究和分析系统如何实现及具体实现形式。在低速数据采集系统设计中mcu常作为cpu来实现系统的功能。而在高速数据采集系统中，mcu会限制系统的精度，并且随着速度的提高adc, ram和mcu之间的时序同步问题也会显示出来。因此本系统使用了高速、多i/o口的fpga芯片来控制adc和ram等，因为可编程逻辑器件fpga与mcu比起来:具有时钟频率高、工作效率高、运行速度快、延时小和时序控制可以用硬件实现等诸多优势，并且fpga构成的电路组成形式相对灵活，根据需要能够添加外部控制、译码、通讯接口及扩展电路。从而很好的解决了采样速度过高和时序逻辑不同步的难点。 现场可编程逻辑门阵列(fpga:field programmable gate array）是一种新型高性能的可编程逻辑器件。fpga的集成度很高，其器件密度最高可达数千万门，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，尤其适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。可编程逻辑器件以其在数据采集及处理领域的高性能、高集成度和很好的时序控制功能等优势，在现代信号处理领域广受欢迎。把现代信号对实时处理的要求和fpga设计的灵活性相结合起来，达到并行算法和硬件设计两者的最优配置，提升信号处理精度和运行速度是现当代数字信号处理领域的主流发展趋势。依此本课题将对基于fpga的高速数据采集系统进行研究和设计。 1.2国内外发展现状 1.2.1数据采集技术的发展现状 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 signaled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。 1.2.2数据采集的应用和发展 从数据采集现有仪器和技术来看，具备低速、低分辨率的数据采集技术发展已经很成熟，实现相对容易，利用单片dac, adc即可实现稳定性和可靠性都很优良的采集器，而高速、高分辨率的采集系统由于受到所用器件和技术的限制，产品相对较少。从国内市场来说，产品虽然具有价格优势，但由于历史及技术等原因，仪器通常存在携带不便、通用性差，适应工作现场的能力差等劣势，很难形成规模化、系列化、标准化的通用设备。而国外市场的产品，具有同类指标的仪器价格往往是国内的几倍甚至更高，使得在工业现场的应用推广的代价较高。1.3课题内容 本课题内容根据需要和市场需求，旨在完成具有12bit,64msps的高速数据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alters公司的quart us 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。 本课题的主要研究内容如下: 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。 6.对系统进行调试，并给出高速数据采集系统应用实例，通过对测试结果比较和分析，来验证系统性能是否满足设计要求。2 数据采集与电路设计2.1数据采集理论分析 将模拟信号转换为数字信号，并由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程称为数据采集，分为采样和量化两个步骤，而实现相应功能的系统称为数据采集系统(data acquisition system)。 计算机技术的进步和普及提升了数据采集系统的技术水平。数据采集系统处理信号的基本组成模块有五个，它的组成框图如图2-1所示。clk1clk2程控放大器 模拟信号输入计算机a/d转换器datadata数据缓冲时序逻辑控制 图2-1数据系统采集图 首先是放大器电路，在进行数据处理之前，待处理的模拟信号一般是比较弱的低电平信号。为了充分利用adc的满量程分辨率，放大器电路的功能是把来自前端的微弱的模拟信号放大。把待采集信号放大到与所选用的adc满量程电压相对应的电平值，这是因为adc的分辨率是根据满量程电压来确定的。 其次是模数转换电路，由于pc只能对数字量进行处理、显示及控制等操作，因于把模拟量转换成数字量是一个至关重要的环节。根据需要选取相应的模数转换芯片就可以将经放大电路放大的模拟量转换为数字量。模数转换电路 作为采样通道的核心，它是限制系统采集速度和精度的主要因素，因此在设计过程中需要重点考虑。 再者是数据缓存电路，它是模数转换器转换后的数字量暂时的存储场所，信息经存储电路通过相应的接口总线传输给数据处理设备。选用合适的缓存电路可以提高数据采集系统的速率。 接下来是时序逻辑控制电路，采集系统各模块正常工作的时序是按照确定的定时逻辑进行的，如果定时有问题就会严重影响系统的精度，因为电路中逻辑控制功能是根据时序电路信号来工作的。 2.1.1奈奎斯特采样定理 奈奎斯特采样定理是:对一个具有有限频谱的连续信；x(t)进行采样，当采样频率为fs2fc，由采样后得到的采样信号x(nts)能无失真地恢复为原信; x(t)。其中fs是采样频率，fc是被采样信号的最高频率。该定理是数据处理技术中非常重要的依据。 在设计数据采集系统时，由于采集电压的范围、待测高频信号的性质和a/d采样速率较高的原因，经电路调试和fpga时序仿真，得到当a/d采样的频率是最高输入信号的四倍以上时，可以很好的完成数据转换功能。 2.1.2信号完整性 信号完整性是指在数字电路设计中，信号在系统线路中的传输质量，如果在规定的时间内，信号可以不失真地从发送端传输到接收端，就说该信号是完整的。信号完整性在高速系统设计中需要严格对待，实际电路设计中，信号在任何一个线路出现问题都会导致系统功能无法实现。信号完整性问题的根源在于信号上升时间的减小，信号完整性问题可以概括为以下两个方面:一是信号传输过程中传输电路的作用及影响;二是如何调整传输电路使信号完整性更加优良。如果不同传输线路中信号的相互干扰可以忽略，以及信号在通过传输线路后，信号无损耗或者损耗在误差范围内就表明电路系统具有良好的信号完整性。 在电路设计中信号完整性问题表现形式多种多样，比如衰减、串扰、反射、振荡、上冲、下冲、开关噪声、传输线分析等多种形式，经分析总结我们可以把信号完整性问题划分为四种情况:依次为系统电磁兼容、单一网络的信号质量、不同信号线之间的串扰、电源和地噪声。 2.1.3电源完整性 电源完整性同样在高速系统设计中有着重要地位，实际电路设计中，系统供电电源的质量是系统稳定性和可靠性的主要标志。电源完整性是电路系统中特定电源及地与理想状态的接近程度。好的电源完整性，就是指电源具有稳定的供电和完整、统一的参考地，并且能够给系统信号线路提供完整的闭合回路。在现实设计中是不可能实现的，这是因为电路系统中总是存在着不同程度的干扰和不同频率的噪声。 在系统设计过程中，分析电源完整性，可以通过做pcb时进行布线后仿真,来检查系统的信号是否出现去祸电容设计不当、地层设计不合理、地弹和电流分配不均匀等现象。如果是供电电压压降问题,可通过以下几个方面给予解决: 1.尽可能确保电源线路的通畅，要选择正确的铺地和管脚焊接方式,尽量加粗电源线和地线，使线路的阻抗较小,从而使电源电流通路良好。2.尽可能增加大电流层的铜厚,比如把同一网络的电源铺设在多层，这样可以使大电流顺利的传输,同时线路上产生的压降也会很小。如果是地弹现象,应对策略有以下几种: 1.降低芯片内部电流变化率，这需要从芯片内部的驱动器速率着手，由于现代大规模集成电路设计的方向是更快、更密和功能更强，因而这种方式可行性较差。 2.降低系统施加于电源的电感，高速电路板设计中通过采用自己的电源层，尽量让电源和地处于同一平面，都可以减少对电源形成的电感。 3.减小芯片因封装产生的电源管脚与地管脚之间的电感，比如减短管脚焊接连线长度，尽量在电路板上进行大面积铺铜。另外通过把电源和地的管脚成对布置来增加电源和地的祸合电感同样也可以降低系统总的电感。3系统总体设计方案3.1系统总体方案设计和性能指标依据数据处理的发展现状和现有技术，本设计以可编程逻辑器件fpga作为数据采集系统控制核心，主要包括模拟数据采集电路、fpga时序逻辑控制模块、fifo数据缓存电路，usb通信接口电路和电源模块等几部分。其中fpga核心编制逻辑主要负责产生各部分的控制信号，完成对整个系统的逻辑编制，并对所采集的数据进行存储和传输。系统采用40mhz晶振输入，通过fpga设计的锁相环和分频电路可以产生不同的时钟输出，提供系统工作需要。数据采集模块主要完成对模拟信号的a/d转换;fifo存储电路是a/d转换后的数据暂存空间;usb通信接口电路实现数据与计算机的传输。