（通信与信息系统专业论文）基于港口集装箱检测的多通道数据采集系统的设计和实现.pdf

s c h o o lc o d e ：10 2 6 9 s t u d e n tn o ：5 1 0 8 1 2 0 2 0 6 5 ea s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i 哆 r e s e a r c ho nm u l t i c h a n n e ld a t a a c q u i s i t i o ns y s t e md e s i g nb a s e do n c o n t a i n e r i n s p e c t i o ns y s t e m a p m ，2 0 1 1 华东师范大学硕士学位论文 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈鸾的学位论文始连t 鲽角检洳i 的涵道数瞬譬柔磋够；瓣希，是 在华东师范大学攻读硬生博士( 请勾选) 学位期间，在导帅的指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个 人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：圣：墨垂 日期：加f7 年r 月w 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 鳓老曙翱程洲码姬缈垢栗露泫甜搀计硫蚴系本人在华东师范大学攻读学位 期间在导师指导下完成的硬老博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归 华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论 文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的 印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅； 同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将 学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论 文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密 学位论串， 于 年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名 本人签名圣墨螽本人签名 善 勿亟 砂口ff 年厂月嘶日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方 为有效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默 认为公开学位论文，均适用上述授权) 。 华东师范大学硕士学位论文 昌强硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 刘一清高级工程师华东师范大学主席 蒋传纪副教授华东师范大学 蔡家麟副教授华东师范大学 华东师范大学硕士学位论文 论文摘要 近年来由于计算机技术的快速发展，数据采集与处理技术已经成为了信息技 术的重要组成部分，成为了获取信息的重要手段和方法。数据采集系统的技术水 平在计算机技术的发展和普及下得到了很大的提高，在科学研究和工业应用领域 都得到了广泛的应用，成为了科学研究的有力工具。 本文主要研究了用于上海港口集装箱堆放高度实时检测的多通道数据采集 系统。本系统以f p g a 作为核心处理器，以u s b 作为数据传输接口，在l a b v i e w 和v c 平台上开发了上位机软件。本系统主要分为硬件设计和软件设计两部分。 硬件部分设计了以a d 7 8 2 9 为核心的采样电路，负责采集原始电压信号。逻 辑控制模块以f p g a 为核心，负责为系统提供所需的时序和控制信号，并对采集 来的数据存储。系统接口采用了u s b 接口来传输数据，负责将存储在f p g a 中 的数据传输给计算机进行处理分析。硬件部分还包括了u s b 芯片的编程，包括 u s b 的固件和驱动程序。 软件部分负责处理数据，完成数据的分析，显示，存储等功能。本论文中探 讨了两种上位机开发方法，一种是在l a b v i e w 平台中开发，一种是在v c 平台 下开发。在l a b v i e w 中通过n i v i s a 来开发驱动并实现p c 与u s b 的数据通 信传输，这种开发方式使得u s b 驱动的开发更加简单方便，可以有效地节省项 目开发的时间和成本。在v c 平台下利用c y p r e s s 公司提供的开发包开发应用 程序，并编程实现f f t 算法对采集信号进行提取频率的处理。 最后将系统硬件和软件整合为一个完整的数据采集系统，经过测试满足设计 要求，测量的效果比较理想，具有很好的使用价值。 关键词：多通道，数据采集，通用串行总线，虚拟仪器 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l 叩m e n to fc o m p u t e rt e c l l i l o l o g yi sr 印i d l y 觚dt h ed a t a a c q u i s i t i o na i l dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y h a sb e c o m ea i l i m p o r t a n tm e t h o dt og e t i i o 珊a t i o n t h ed a t a a c q u i s i t i o nt e c l l i l o l o g yd e v e l o p sc o n t i n u o u s l y w i m m e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y n o wd a _ t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e d ms c i e n t i f i cr e s e a r c ha i l di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，a n di th a sb e c o m eap o 、v e h lt o o lf o r s c i e m i f i cr e s e a r c h t m sp a p e rd e v e l o p sam u l t i c h 锄e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hi sb a u s e d0 n t h en e e do fs h a n 曲a ip o r t w eu s ef p g aa st h ec p uo ft h es y s t e ma n du s eu s bt o t r a n s f e rd a t a 1 1 1 e nw ed e v e l o pa p p l i c a t i o ns o 街eu s i n gag l a n g u a g e 锄dt l l ec + + l a n g m 鸣e t h es y s t e m c o n s i s t so fh a r d w a r ea i l ds o 小a r ed e s i g nm 似o p a r t s t h ef i r s tp a r to fl l a r d w a r ed e s i g ni su s i n gt 1 1 ea d 7 8 2 9t oo b t a i l lt h eo r i g i n a l s i g n a l s t h ef p g ai st 】h es y s t e m m a n a g e rw h o sr e s p o n s i b i l i t ) ，t og e n e r a t ec o n t r 0 1 s i g n a l sf o r t h cs y s t e m t h eu s b r e s p o n s i b i l i 够i st ot r a n s f e rd a t a 丘o mf p g at 0 c o m p u t e r s o f h v a r ep a r ti sr e s p o n s i b l ef o rt 1 1 ep r o c e s s i n go fd a t ac o m p l e t i o no fd a t a a n a l y s i s ，d i s p l a y ，s t o r a g ea u l do t h e rf u n c t i o 璐t m sp 印e rd i s c u s s e st 、v or n e t h o d st o d e v e l o pt 1 1 es o 行w a r e ，o n ei su s i n ggl a i l 舀埝g et 0f i n i s ht h es i g n a ld i s p l a ya n da n a l y s i s ， a n dt h i si sb a s e do nl a b v i e ww 1 1 i c hi sar e v o l u t i o n a 巧g r a p l l i c a lp r o g r a u m m i l l g e n v i r o n m e m w be s t a b l i s hac o 衄e c t i o nb e t 、e e nl a b v i e wa n du s bu s i n g m l a l i n s t n 蛐e n ts o 硪v a r ea r c l l i t e c t u r e w ba l s oe s t a b l i s hac o m l e c t i o ns u c c e s s 如i l yo nt h e p r o g r a m m i n gp l a t f o m lv c + + 6 o ，a n d 、u s ef f t t oa n a l y s i ss 远n a l st oo b t a i l lt h e f e q u e n c yw i t c hi sw e n e e d f i l l a l l y ，、i n t e g r a t et h eh a r d w a r e 觚i dt h es o 鲰v a r et oc o m p l e t e t 1 1 ed e s i g no ft h e m u l t i - c h a i l n e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a r e rt e s t i n gt l l ed a 妇a c q u i s i t i o ns y s t e mw e f i n di tp e r f o n n s 伊e a t l ya n dc a i lm e e to u rn e e d s s ow ec a i ls a yi th a sag r e a tp r a c t i c a l v a l u e k e y w o r d ：m u l t i c h a n n e l ，d a t aa c q u i s i t i o n u s b ，v i r t l l a i i n s t r u m e n t i i 华东师范大学硕士学位论文 目录 论文摘要一i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 研究背景和意义。l 1 2 数据采集系统的组成和研究现状1 1 3 本文主要研究内容和结构安排。3 1 4 本章小结5 第二章系统总体方案设计。l 2 1 系统设计目标。6 2 2 数据采集系统总体方案考虑：6 2 2 1 系统总体结构。6 2 2 2 采集单元的方案选择7 2 2 3 逻辑控制单元8 2 2 4 接口方案选择1 0 2 3 本章小结1 2 第三章数据采集系统硬件设计1 3 3 1 数据采集系统总体结构1 3 3 2 数据采集系统硬件设计1 3 3 2 1 a d 采样电路1 3 3 2 2 逻辑控制( f p g a ) 电路2 0 3 2 3 u s b 接口设计2 5 3 3 硬件部分程序设计3 0 3 4 本章小结3 5 第四章系统上位机软件的设计3 6 4 1 l a b v i e w 上位机的设计3 6 4 1 1l a b v i e w 的驱动设计3 7 4 1 2 l a b v i e w 与u s b 通信设计3 9 4 1 3 信号处理程序设计4 0 4 1 4 数据处理结果4 2 4 2 v c 上位机程序设计4 3 4 2 1 v c 与u s b 的通信接口设计4 3 4 2 2 v c 数据处理程序设计4 5 4 3 本章小结4 5 第五章总结与展望一4 7 5 1 总结4 7 5 2 展望4 8 附勇匙：4 9 参考文献5 0 j 致谢5 2 i i i 华东师范大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 数据采集硬件和计算机的组成数据采集系统，借助于计算机丰富的软件资 源，在功能上更灵活并实现了用户的自定义。采集硬件一般主要完成数据信息 的采集和预处理，然后通过p c 接口总线将处理后的数据送入计算机作进一步 处理。随着信息技术的飞速发展，对数据采集和处理的要求也变得越来越高， 主要体现在数据传输的速度上和数据处理的效率上，所以数据采集系统要有足 够的带宽来完成数据的传输，对完成实时数据的处理。数据采集技术可以将温 度，压力，速度，位移等外部世界的一系列连续变化的物理量通过采样，量化， 编码，传输等步骤转化为数字量，然后送到计算机进行处理和存储等操作。由 于计算机技术的快速发展，数据采集与处理技术已经成为了信息技术的重要组 成部分，成为了获取信息的重要手段和方法。数据采集系统的技术水平在计算 机技术的发展和普及下得到了很大的提高，在科学研究和工业应用领域都得到 了广泛的应用，成为了科学研究的有力工具。 本文的数据采集系统是基于上海港口集装箱的检测，通过对港口集装箱堆 放状况的实时检测和控制可以提高港口的空间利用和集装箱的堆放速度。上海 作为我国最大的对外贸易港口，是我主要的海上交通枢纽。2 0 1 0 年上海港货物， 集装箱吞吐量均位居世界第一。上海港在上海市以及全国的经济发展中发挥了 重要的促进作用，但是随着港口集装箱吞吐量的不断增加，如何提高集装箱的 堆放速度以及如何提高上海港口的空间利用率就显得尤为重要。所以基于港口 集装箱检测的数据采集系统的研究和开发具有重要的作用和意义。 1 2 数据采集系统的组成和研究现状 数据采集系统的一般组成部分有：p c ，传感器，信号调理，数据采集硬件 华东师范大学硕士学位论文 和数据采集软件【l 】。分别从这几个方面介绍数据采集系统的发展现状和前沿技 术。 现今的计算机技术发展日新月异，已经由最初的庞大的计算速度较慢的计 算机发展为具有多核处理器的高性能便携式计算机。这些计算机能结合更高性 能的p c i p c ie x p r e s s ，p x i c o m p 硼p x i 和i e e e l 3 9 4 总线以及传统的i s a 总线和 u s b 总线。这些新型的性能优异的数据总线的出现使得在搭建系统时可以根据 实际情况有更加丰富的总线选择方式。传统的数据采集应用多是基于r s 2 3 2 或r s 4 8 5 的串口通信，但是串口通信的数据会使得数据吞吐量受到很大的限 制，只能应用于一些对数据传输速度要求不是很高的场合。计算机的数据传送 能力会极大的影响数据采集性能。目前绝大多数个人电脑可以使用直接内存访 问( d i r e c tm e m o r ) ra c c e s sd m a ) 传送方式，它使用专门的硬件把数据直接传送 到计算机内存，从而提高了系统的数据吞吐量。这种方式可以使c p u 的效率大 大提高，因为处理器不需要控制数据的传送【2 1 。 传感器应用于数据采集系统的前端，它可以感应温度等物理现象。例如将 温度，压力等信号通过热电偶和压力传感器转化为数据采集系统可以识别并测 量的电压和电流等模拟信号。随着技术的不断发展，传感器种类越来越多，可 应用的场合也越来越广，使得数据采集系统的应用范围和价值不断得到提高。 虽然传感器将信号转换为了系统可测量的模拟信号的，但是为了能更好，更精 确地采集测量信号，信号还需要做进一步的处理。这部分工作由信号调理电路 完成，信号调理模块对信号进行放大，滤波，隔离等处理。传感器转换后的电 信号通常是比较微弱的，为了能更好的识别信号需要对信号进行放大，放大后 的信号可以有效地降低夹杂在信号中噪声的干扰并增强有用信号的分辨率使其 更容易被采集系统采集。滤波可以有效地滤除采集信号中不需要的信号，进一 步提高测量信号的精度，把噪声等因素对信号的影响降到最低。 数据采集硬件主要是指模数( a d ) 转换器。在一个数据采集系统中我们所 关注的数据采集硬件的参数主要包括通道数目，采样速率，分辨率和输入范围 等方面的信息。通道数目主要包括单端输入通道数和差分输入通道数，在输入 2 华东师范大学硕士学位论文 信号较高并且信号输入端与采集前端的距离相对较近时可以使用单端输入方 式。当不满足这些条件时使用差分输入端，差分输入可以消除共模噪声，减小 噪声误差。采样速率是衡量采集系统很重要的一个参数，它决定了每秒进行模 数转换的次数，一个高速采样速率可以在给定的时间下采集更多的数据，因此 能更好的反映原始信号【3 1 。分辨率代表了a d c 转换小信号的能力。分辨率越高 能探测到的信号区间就越小，精度越高。量程是a d c 可以转换的最大和最小 的电压值，数据采集系统的采集信号要满足量程的范围才可以充分利用测量的 分辨率，所以很多的数据采集系统的量程输入都是可配置的，可以适应不同的 输入电压值。 在数据采集系统的应用中软件是一个重要组成部分，它可以对数据采集硬 件进行控制，也可以对采集数据进行分析，处理，显示和存储等操作。数据采 集系统的软件分为驱动软件和应用软件。软件层中的驱动软件可以直接对数据 采集硬件的寄存器编程，管理数据采集的操作并把它和处理器中断，d m a 和 内存这样的计算机资源结合在一起。驱动软件隐藏了负责的硬件底层编程细节， 为用户提供容易理解的接口。随着数据采集硬件，计算机和软件复杂程度的增 加，驱动软件显得尤为重要。好的驱动软件可以极大地降低开发数据采集程序 的时间并能提高数据采集系统的性能。应用软件是用户和采集系统通信的桥梁， 应用软件要使用驱动软件来控制数据采集硬件，它的优势是在驱动软件的基础 上增加了分析和显示功能，显得更加直观便捷。在所有数据采集系统的组成部 分中，软件是最重要的，它把传感器，信号调理，数据采集硬件集成为一个完 整的多功能数据采集系统。在开发数据采集系统时，要明确系统的要求来选择 硬件和软件，这样可以节省开发时间和成本。 1 3 本文主要研究内容和结构安排 本文主要的主要工作：研究并设计了一个基于港口集装箱检测的多通道数 据采集系统。数据采集系统由数据采集模块和计算机组成。采集模块完成对前 端雷达回波信号的采集，主要由波形调理电路和a d 采样电路组成。采集模块 3 华东师范大学硕士学位论文 将采集到的电压信号经波形调理电路后由a d 采样电路转换为数字信号，数字 信号先是送给f p g a 存储，当存储深度达到分配的f i f o 存储大小时发送给u s b 接口模块。f p g a 模块作为数据采集模块的核心，提供了系统所需要的各种控 制信号，实现了对模拟信号的采集。采集数据经u s b 接口上传给p c 端，u s b 接口芯片采用块传输方式。在p c 端由上位机软件对数据进行分析处理并显示， 上位机软件由l a b v i e w 编程，得到所需的信息实现对集装箱堆放高度的实时 监控。 本论文的创新之处： 1 论文采用f p g a 作为系统的核心处理模块，并没有采用传统的以单片机 或d s p 作为系统的核心处理器，f p g a 不仅满足系统的设计要求，而且其可扩 展性良好，有利于后期系统的升级。 2 论文采用了l a b v i e w 来开发系统的上位机，在u s b 驱动开发和数据处 理显示等方面都具有明显的优势，大大的节省了开发的难度和周期。并且论文 还探讨了在v c 平台上上位机的开发，丰富了上位机的选择，使得整个系统的 应用更加广泛。 本论文具体结构如下： 第一章：主要介绍了数据采集系统和港口集装箱检测的研究背景，并对数 据采集系统的国内外研究现状做了粗略的介绍。 第二章：讨论了数据采集系统整体方案的设计，并对各个模块方案的选择 做了介绍和分析。采集单元没有采用传统的以单片机或d s p 为核心处理器的方 案，而是采用了f p g a 作为系统的核心控制器件。逻辑控制单元选用f p g a 为 系统提供所需的时序和控制信号。接口模块方案选用了u s b 接口，在满足系统 速度要求的前提下还使得采集系统具有了一定的便携性。 第三章：详细介绍了数据采集系统各个模块的硬件电路实现：a d 转换电 路以a d 7 8 2 9 为核心，完成了外围电路的设计；逻辑控制模块采用f p g a 控制 方式，产生a d 所需的时序以及控制信号，并完成了f p g a 与a d 的电路连接； 通信接口电路部分介绍了u s b 传输的原理，并完成了f p g a 与u s b 的电路设 4 华东师范大学硕士学位论文 计。 第四章：介绍了基于l a b v i e w 和v c 为软件开发平台，搭建系统上位机 软件的过程和实现。完成了与系统硬件电路的通信，并经过处理分析得到系统 所需的频率信息，计算出集装箱堆放的高度。 1 4 本章小结 本章节主要介绍了本论文研究课题的背景和意义，并对相关技术的研究现 状做了简介。在章节最后介绍了本文各章的结构安排和研究内容。 5 华东师范大学硕士学位论文 第二章数据采集系统的总体方案设计 2 1 系统设计目标 本系统是以港口集装箱的检测为系统设计背景的。雷达测距系统作为港口 集装箱检测系统的前端，被测目标将由雷达天线辐射的电磁波反射回来产生一 个回波信号。回波信号就是本系统需要采集的信号。回波的电压信号经由本系 统采集处理后就能实时显示集装箱的堆放高度。因此在设计数据采集系统时， 应考虑以下几点要求： 1 数据采集的通道和速率要求，本系统需要实时检测和监测多个集装箱的 堆放情况，所以要求系统是多通道的。由于回波信号的频率较高，所以本系统 必须在多通道的前提下兼顾采集速率。 2 本系统由于实际运用的需要对采集结果的精度要求较高，由于采用多通 道采集，所以对系统通道间的相互干扰，系统整体间的抗干扰能力有一定的要 求。如何提高系统的抗干扰能力以提高数据采集的精度，是系统设计时重点考 虑的部分。 3 由于港口集装箱检测的采样频率高、采集数据量大，所以要求设计的数 据采集系统具有很强的数据传输和处理能力。在设计系统方案时，必须考虑数 据传输的接口选择以及数据采集核心处理器的数据处理能力。 4 本系统是一个远距离的实时检测和监测系统，要求系统的软件能实时显 示采集处理结果，在软件设计时要兼顾功能和实用性。 2 2 数据采集系统总体方案考虑 2 2 1 系统总体结构 考虑到以上的设计目标，以及数据采集系统的技术指标，设计出本系统的 6 华东师范大学硕士学位论文 总体结构图。系统的前端包括信号调理电路，a d c 转换电路；采集部分包括系 统逻辑控制、数字信号处理和数据传输接口。上位机软件完成了对信号的处理， 显示和存储。后面将具体的对采集单元，逻辑控制单元和接口设计单元的方案 选择进行详细的介绍。 2 2 2 采集单元的方案选择 数据采集模块作为数据采集系统的核心，它将直接影响着采集信号的精度 和整个系统的复杂程度等。数据采集模块主要负责对原始数据的采集与预处理， 并负责将经过预处理的数据通过特定的总线方案传给p c 上位机做后期进一步 的分析处理。现代数据采集系统采样速率的不断提高，要求数据采集模块实现 对高速信号进行采集和预处理，也要求数据采集模块能够对多个信号进行实时 的采集和预处理【4 】。所以建立一个数据采集系统的时候数据采集单元的方案选 择显得尤为重要，对整个系统的速度，精度都有着十分重要的作用。 目前，广泛采用的数据采集模块设计方案，按处理器类型的不同，可以分 为以单片机为核心处理器和以数字信号处理( d s p ) 为核心处理器两种。以单 片机为核心处理器构建的采集系统主要应用于要求比较低的场合，如用作控制 或采集速度不是很高的场合。这是由单片机本身的特点决定的。单片机具有以 下特点： 1 ) 适合完成实时控制和操作的任务 2 ) 擅长中断处理，特别是外部异步事件 3 ) 丰富的i o 接口和片上外设，便于系统扩展 以单片机作为核心处理器开发数据采集系统具有很多的优势，可以最大限 度的节约开发时间和成本。但是由于受限于单片机本身结构和运行速度和效率 上的不足，在很多通道高速采集系统中由于采集速度快，数据量大导致单片机 不能胜任。 以d s p 为核心处理器的数据采集模块功能更加丰富，运算能力更加强大， 其相比于单片机具有明显的优势。d s p 是一种独特的微处理器，一个数字信号 7 华东师范大学硕士学位论文 处理器本身就是一个微型计算机，它包括运算单元，控制单元，各种寄存器以 及存储器等。d s p 采用哈佛设计。地址总线和数据总线是分开的，程序和数据 分别存储在两个分开的空间，执行指令和取指令操作可以完全重叠。这样的设 计大大提升了d s p 的速度，使得它的运算能力很强，并且可以采用软件编程来 从事各种复杂的应用。d s p 可以应用于要求较高的场合，由于出色的运算能力 使得它在多通道高速数据采集系统等应用中得到广泛的应用。d s p 提供了f f t 算法需要的特殊指令，以流水线指令处理方式，提高了f f t 快速傅里叶变化和 滤波器的运算速度。具有以下优点： 1 ) 运算速度快，在一个指令周期内可以完成一次乘法和一次加法运算 2 ) 数据和程序存储空间分离，可以同时访问指令和数据 3 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持 4 ) 可以并行执行多个操作 d s p 的这些优点时它能广泛的应用于数据采集系统，完成对数据的采集和 预处理。在d s p 的软件中加入一些典型的算法编程如f f t ，滤波算法等就能极 大地增强数据采集系统的信号处理能力。 本系统虽然采用了多通道采集数据，采样频率较高，数据量较大并且要求 对采集信号进行滤波和f f t 变换等操作来得到信号的频率信息，但是本系统并 没有采用单片机或d s p 来作为系统的硬件核心处理器，而是用f p g a 来进行数 据的传输，将滤波和f f t 变换交由上位机软件来实现，这样节省了系统的硬件 资源，节约了系统开发的成本。上位机软件来实现数字信号的处理虽然占用了 c p u 资源，但是也能实时的对信号进行处理和显示，达到了很好的效果。这也 是本论文的一个创新点，在后续的开发设计中，会考虑用d s p 作为系统的核心 处理器来进行数字信号的硬处理，这样将大大简化上位机软件的程序，使系统 的效率和精度得到进一步提升。 2 2 3 逻辑控制单元 由于a d 与接口模块都需要较多的逻辑控制时序控制，所以在系统中要引 8 华东师范大学硕士学位论文 入逻辑控制模块来实现相应的功能。 可编程逻辑器件( p l d ) 能够完成各种数字逻辑功能，具有开发周期短， 设计制造成本低，开发工具先进以及可实时在线检验等优点，非常适合用来做 逻辑控制模块。我们首先分析可编程逻辑器件的分类和各自的特点和原理结构， 然后根据本系统的需要选择合适的可编程逻辑器件作为系统的逻辑控制模块。 现在应用最为广泛的可编程逻辑器件是类似于p a l 结构的扩展型c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和与标准门阵列类似的f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea 1 1 r a y ) 。两者的区别如下表： c p l df p g a 内部结构p r o d u c t t e m l o o k - u pt a b l e 程序结构内部e e p r o ms r a m ，夕h 挂e e p r o m 资源类型组合电路资源丰富触发器资源丰富 集成度低 古 间 使用场合完成逻辑控制能完成比较复杂的算法 速度慢块 其他资源 e a b ，p l l 保密性可加密一般不能保密 图2 2f p g a 与c p l d 的区别 c p l d 设计的逻辑电路具有时间预测性，使用起来较为方便，随着技术的 发展还出现了很多高级的特性【5 j 。应用较为广泛的c p l d 有a l t e r a 公司的c p l d 和x i l i n x 公司的e p l d 。f p g a 通常由可编程逻辑功能块，可编程i o 块和可编 程互联组成1 6 1 。较常用的f p g a 有a l t e r a ，x i n l i i l x 和a c t e l 公司生产的f p g a 。 通过对f p g a 和c p l d 的内部结构原理和优缺点的比较不难看出两者虽具有很 多共同特点，但是它们结构上的差异也决定了它们各自具有不同的特点，需要 根据不同的应用要求和场合来选择合适的器件，使它们更能发挥各自的优势。 本系统的逻辑控制单元主要是用来为a d 提供采样时序以及为系统提供一些控 制信号，所以采用f p g a 来作为本系统的逻辑控制单元。进一步了解了现今市 9 华东师范大学硕士学位论文 场上各厂家的f p g a 产品，最终选用了a l t e r a 公司的c y c l o n ei ie p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 6 。 2 2 4 接口方案选择 数据采集系统采集的数据先暂存在采集硬件中做预处理，做完相应的处理 后需要将数据打包发往计算机，在计算机中完成后期更加复杂的数据处理，发 送数据的任务需要由数据采集卡的数据接口模块来完成。 现在与p c 相连接的接口很多，各有各的优缺点，在选择接口模块时要结 合系统开发的实际需求，选择性能优秀，节省资源的接口。现在应用的接口主 要有传统的r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 串行接口，有i s a ，p c i ，a g p 等并行接口，还有 u s b ，i e e e 1 3 9 4 ，以太网等新型接口。图2 2 对这些接口的性能进行了列表比较。 传统的数据采集系统多是基于p c i 或r s 2 3 2 串行总线的。p c i 接口具有很高的 传输速率，但是它的扩充槽数量有限并且与p c 的连接较为固定，插拔起来很 不方便。r s 2 3 2 串行接口具有很好的灵活性，连接起来非常方便，但是受它的 带宽的限制传输速率很慢，不能满足对传输速率有较高要求的应用。本系统的 采样频率为1 m h z ，采样率较高，数据量较大，并且本系统为一个实时系统， 要求实时分析和显示数据结果，所以对接口的数据传输能力有一定的要求。通 过对传输速率，开发成本，开发难度等各方面的综合考虑本系统选择u s b 作为 本系统的数据传输接口。 接口类型数据格传输速率最大设备数电缆长度是否支持 式 ( b s ) | 令m 热拔 u s b 串行 1 5 m ，1 2 m ，4 8 m 1 2 6 是 r s 2 3 2 串行 2 0 k21 5 3 0 否 r s 4 8 5串行1 0 m3 21 2 0 0 否 i e e e 13 9 4 串行 4 0 0 m ，3 2 g 6 3 4 5 是 i s a 并行 1 2 8 m 否 p c i并行1 0 5 6 m 2 1 1 2 m 否 l o 华东师范大学硕士学位论文 a g p 并行 2 1 1 2 m 否 e i s a并行2 6 6 m否 并行端口并行8 m2 或8 3 9 否 以太网串行 1 0 m ，1 0 0 m ，1 g 1 0 2 45 0 0 否 图2 3常用计算机接口的性能比较 传统的数据采集系统一般采用p c i 或r s 2 3 2 串行总线。p c i 接口具有很高 的传输速率，但是它的扩充槽数量有限并且与p c 的连接较为固定，插拔起来 很不方便。r s 一2 3 2 串行接口具有很好的灵活性，连接起来非常方便，但是受它 的带宽的限制传输速率很慢，不能满足对传输速率有较高要求的应用。 u s b 作为计算机领域的新型接口技术，简化了p c 与外设的连接过程，并 增强了计算机接口的通用性。传统的计算机接口相比，u s b 具有以下优点： 1 ) 支持热插拔。用户可以在任何时候将一个u s b 外设连接到计算机或断开与 计算机之间的连接。 2 ) 共享式接口。传统的接口在同一时刻只支持单个外设的连接，这样在计算 机接口数量有限的情况下根本无法满足大量外设连接的需要【7 1 。 3 ) 无需外接电源。u s b 向外设提供了+ 5 v 的电源，用户可以直接使用这个总 线电源，而不需要外接电源，这样不仅简化了操作而且也节约了成本，使 u s b 具有了更高的性价比。u s b 还支持低功耗工作模式，当u s b 总线没 有传输任务而处于空闲状态的时间超过3 秒u s b 总线就进入节能模式，总 线就会挂起直到有新的传输任务唤醒总线。 4 ) 即插即用。u s b 自动完成中断请求以及所需的i o 地址的配置。当外设插 入计算机时，计算机检测到这个连接后发送一个查询请求。u s b 收到计算 机的查询请求后会将u s b 设备的p r o d u c ti d ( 产品号) 和v e n d o ri d ( 厂商 号) 返回给计算机，计算机通过这两个地址查询并安装合适的驱动程序。 这个枚举过程是自动完成安装的，并不需要用户的参与，大大的方便了用 户的使用。 5 ) 节省系统资源。u s b 外设只需要u s b 系统为其分配一个唯一的地址和个 华东师范大学硕士学位论文 指定的i r q ( 中断请求) 或者一个d m a 通道。 6 ) 传输灵活快速。u s b 支持4 种传输类型：块传输，同步传输，中断传输和 控制传输，用户可以根据数据传输需求，选择不同的传输类型来搭建适合 的u s b 传输系统。u s b 的数据传输速率有三种：1 、1 5 m s 的低俗传输；2 、 1 2 m s 的全速传输3 、4 8 0 m s 的高速传输【8 】o 7 )良好的兼容性u s b 接口有着良好的向下兼容性，u s b 2 o 的主控制器就能 很好的兼容u s b l 1 的产品，当系统检测到插入的是u s b l 1 的设备时会自 动按照全速u s b 的传输速率进行传输。并且连接到系统的其他u s b 2 0 的 外设不会因为低俗产品的连接而受到影响，它们仍能工作在告诉模式上不 会减慢传输速率。 u s b 功能设备芯片的功能是在u s b 功能设备和主机之间负责传输数据， 在进行u s b 设备的开发时，我们首先应该根据性能等各方面的需要选择一块符 合要求的u s b 接口芯片。目前常用的u s b 芯片有i n t e l 公司的8 x 9 3 0 a x ，c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3 和p 1 1 i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 等芯片。根据本系统对于数 据传输速率的要求以及开发成本，开发难易程度和开发周期等因素的综合考虑 本系统选用了c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3 a 作为系统的u s b 接口芯片。 2 3 本章小结 本章首先提出了数据采集系统的设计目标，然后给出了系统的整体设计方 案并对每个模块的具体方案选择以及涉及的知识做了详细的介绍。包括数据采 集模块，逻辑控制模块和总线接口模块。 1 2 华东师范大学硕七学位论文 第三章数据采集系统硬件设计 3 1 数据采集系统总体结构 本文的数据采集系统用a d 采集港口集装箱检测系统前端雷达的回波信 号，用u s b 接口将采集到的数据传输给上位机进行实时分析，处理，显示，用 f p g a 作为系统的逻辑控制模块给a d 提供采样时序以及给整个系统提供控制 信号。整个数据采集系统的总体结构如图3 1 所示： 图3 1 系统整体框图 3 2 数据采集系统硬件设计 本论文设计的集装箱数据采集系统的硬件主要包括以下三部分：以a d 为 核心的采集单元，负责将需要采集的模拟电信号转换为数字信号送入f p g a 进 行缓存，以f p g a 为核心的控制单元负责为a d 转换提供所需的时序以及为 u s b 接口单元提供控制信号，以c y 7 c 6 8 0 1 3 为核心的u s b 接口模块负责将缓 存在f p g af i f o 中的数据传输给上位机进行分析处理。 3 2 1 a d 采样电路 ( 一) a d 7 8 2 9 的特点 华东师范大学硕士学位论文 根据系统需要的采集速率，通道数，精度等因素的综合考虑，本系统选用 a d 公司的a d 7 8 2 9 芯片来搭建模数转换电路。 a d 7 8 2 9 为高速、8 通道、微处理器兼容型、8 位模数转换器( a d c ) ，最 大吞吐量为2m s p s 。内置一个2 5v ( 2 容差) 片内基准电压源、一个采样保 持放大器、一个4 2 0n s 的8 位半快速型( h a l f n a s h ) a d c 和一个高速并行接口， 可采用3v 1 0 和5v 1 0 单电源供电【9 1 。当用3v 1 0 的电源供电时 模拟输入电压为o v - 2 v 当用5v l o 单电源供电时，可输入的模拟电压范围 为o v - 2 5 v 。a d 7 8 2 9 的转换启动和关断功能结合在c o n v s t 引脚上，这样在 完成一次转换后a d 将自动关掉，达到了省电的功能。当转换结束，即e o c ( 转 换结束) 信号变为高电平后，会对c o n v s t 引脚上的逻辑电平进行采样。a d c 将会进入关断状态如果采样时它的状态为逻辑低电平。a d 7 8 2 9 提供三种封装： 2 8 引脚、o 6 英寸宽p d i p ；2 8 引脚s o i c ；以及2 8 引脚t s s o p 。a d 7 8 2 9 的主 要特点有： 1 快速转换时间。a d 7 8 2 9 的转换时间为4 2 0n s ，快速的转换时间使得其更能 适应实时处理的要求。 2 模拟输入范围调节。用户可利用v m i d 引脚使输入范围偏移，此特性可降 低单电源运算放大器的要求，并考虑系统失调。 3 全功率带宽( f p b w ) 采样保持。a d 7 9 2 8 使用的采样保持放大器具有出色 的高频性能，能对高达1 0 m 带宽的信号进行响应。 4 通道选择。无需对器件执行写入操作便可进行通道选择。 ( 二) 输入匹配电路设计 a d 7 8 2 9 有8 个输入通道，每个输入通道的允许输入电压范围决定于供电 电压v d d ，这个输入范围的选择由a d 7 8 2 9 片上的电源检测电路来实现。引脚 v m i d 用来定义输入电压范围的中心值，当v m i d 引脚没有外加电压时允