【毕业学位论文】（Word原稿）基于FPGA的数据采集系统设计与实现方式-电子信息工程技术

湖南工业大学本科毕业设计（论文） I 摘 要 本文旨在探讨一种基于 数据采集系统设计与实现方式， 其基本出发点是根据 A/D 和 D/A 器件的工作原理，结合 高速、 易控制 和可塑性强等优势，对高速数据采集系统设计有一定研究意义。本 系统采用 司的 I 的心 ，其系统的设计实现包括硬件设计和软件设计两部分。硬件设计 部分 包括时钟、按键、显示、 A/D 采样、 D/A 输出、存储 配置等 单元电路，软件 设计部分则依靠 I 集成开发系统，采用自顶向下的模块化设计思想 ， 运用 行控制系统 设 计， 其中本文重点阐述 了 A/，软件设计采用了状态机控制其工作，极大的提高了系统的工作性能，同时对 系统各个设计模块都进行了 分析、综合、编译、时序分析和 仿真分析，整个系统 联调通过 了系统硬件测试，该系统设计能够有效地对 0率和 幅值为 0号进行 有效 采集并 输出无失真，同时 通过 关键字 ： 据采集， 南工业大学本科毕业设计（论文） is of on is s of a s of I as of in of A/D D/A on I of on s a to to at to is to ED 南工业大学本科毕业设计（论文） 录 第 1 章 绪论 1 题背景及依据 错误 !未定义书签。 题目的及意义 2 第 2 章 系统的硬件结构设计 3 述 错误 !未定义书签。 统研究方案及单元结构 错误 !未定义书签。 错误 !未定义书签。 （ 片简介 错误 !未定义书签。 6 错误 !未定义书签。 （ 片简 介 6 8 盘显示硬件电路 8 9 第 3 章 系统的软件结构设计 12 件描述 语言（ 12 12 13 错误 !未定义书签。 件系统设计方案 错误 !未定义书签。 19 20 示控制模块 22 值调 整模块 22 统总体组装 22 第 4 章 系统仿真测试 23 23 23 23 23 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 23 24 示控制模块 24 24 24 值调整控制模块 25 程序 25 25 25 25 26 真 图 26 第 5 章 系统硬件测试 27 27 28 29 结论 30 参考文献 31 致谢 32 附录 1 数据采集系统模块顶层设计图 33 附录 2 系统 部分 程序 34 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪 论 随着社会经济的飞速发展， 现代电子设计技术 也得到了前所未有的发展，核心技术 已趋转向基于计算机的电子设计自动化技术，即 。 成电路、电子系统设 计的发展，经历了计算机辅助设计（ 称 计算机辅助工程设计（ 称 电子设计自动化（ 称 个发展阶段而逐渐发展起来的 ，并得到 了 不断完善 ，依托现代 数字技术的 快速 发展， 随之产生的 可编程逻辑器件 ，即 件，目前 已 得到 了 广泛的应用，为电子系统的设计带来 了极大的灵活性 1。可编程 逻辑器件 可以 基于硬件描述语言（ 通过 相应的 软件编程对器件的硬件结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计如同软件设计那样方便 、灵活和 快捷 ， 术革新 极大地改变传统的电子系统设计方法、设计过程乃至设计观念。 未来的 术将向广度和深度两个方向发展， 会超越电子设计的范畴进入其他领域，随着基于 上系统 )设计技术的发展，软、硬核功能库的建立，以及基于 来的电子系统的设计与规划将不再是电子工程师的专利。有专家预言， 21世纪将是 且 1世纪 产生重大影响的十大技术之一 2。 课题背景及依据 20世纪末，电子技术获得了飞速发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。 程就是以 大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割 、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直到对于特定的目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。 程广义的定义范围包括半导体工艺设计自动化，可编程器件设计自动化，电子系统设计自动化，印刷电路板设计自动化，仿真与测试故障诊断以及形式验证自动化。 不包含电子生产自动化 3。具的出现，给电子系统设计带来了革命性的变化。随着 司 理器的推出， 的 序分析、集成电路自动测试、高速印刷电路板设计及作平台的扩展等方面湖南工业大学本科毕业设计（论文） 2 都面临着新的巨大的挑战。 目前， 术作为电子设计的通用平台，逐渐向支持系统级的设计发展 ， 数字系统的设计也从图形设计方案向硬件描述语言设计方案发展。可编程器件在数字系统设计领域得到广泛应用，不仅缩短了系统开发周期，而且利用器件的现场可编程特性，可根据应用的要求对器件进行动态配置或编程，简单易行地完成功能的添加和修改。在 要集中在美国。 但各国也正在努力开发相应的工具。 例 如日本， 韩国有 不对外开放。相信在不久的将来会有更多更好的设计工具在各地发展壮大。 术的应用广泛，现在已涉及到各行各业 ， 平不断提高，设计工具趋于完美的地步 ， 我国的研发水平很有限，需迎头赶上 4。 选题目的及意义 现代数据采集系统已经从传统的试验测量中的数据采集与处理跨入到工业与过程控制。它已成为现代工业自动化的不可缺少的一个组成部分。随着工厂自动化的发展，在实验室与现场自动测试、生产过程监控、产品检验、质量管理、能源管理以及计算机辅助工作等方面 需要越来越多的数据采集系统。数据采集系统已成为保证质量提高产量，发挥经济效益的一项重要手段。就当前国外数据采集系统的市场发展来看也已由面向设备而转向开发设备的更多应用上来，这是发展的需要，也是当代新技术革命发展的必然结果 5。 针对 术发展的 趋势 ，无疑高速率，高质量的设计系统代表着未来十几年，甚至几十年的发展方向。传统的电子设计技术通常是自底向上的，即首先确定构成系统的最底层的电路模块或元件的结构和功能，然后根据主系统的功能要求，将他们组合成更大的功能块，使它们的结构和功能满足高层系统的要求。以此流程 逐步向上递推，直至完成整个目标系统的设计。而 是在整个设计流程中各设计环节逐步求精的过程。一个项目的设计过程包括从自然语言说明到 统地分解， 级模型产生，到最终的可以物理布线实现的底层电路，就是从高抽象级别到低抽象级别的整个设计周期。此外， 得前期的设计可以容易的应用于新的设计项目，则项目设计的周期可以显著缩短 2。 本课题是对 术的应用，即 利用 具实现 基于 数据 采集 。 及对自动设计与自动实现最典型的诠释。 现代电子产品正在以前所未有的速度、向着功能多样化、体积最小化、功耗最低化迅速发展， 靠大规模可编程逻辑器件，适应了现代电子产品的设计要求，综合软硬件系统考虑，采用可编程逻辑器件 行硬件系统设计，利用 开发高性能数据采集系统有一定的研究实践 意义。 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 3 第 2 章 系统的 硬件 结构设计 概述 本系统采用 制器 ，采用 2位逐次逼近型模数（ A/D）转换器 一个带有灵活的 4 线串行接口的 12 位电压输出数 /模转换器 计了一个基于 数据采集系统 。利用本数据采集系统 要求 能有效实现 频率范围为0值范围为 0信号采集， 12 位 A/D 芯片区分度在 时本 数据采集 系统 要求 能实现将一给定常量（该常量可调）进行比较，并将比较的结果 用 D/A（ 转换为模拟信号 输出 ，通过改变这一常量从而控制输出信号的零点，利用数码管能同时显示被采集的信号电压值和被调整后的信号电压值。 系统 研究 方案 及 单元 结构 本 数据采集 系统采用以 核心器件设计，需要完成系统的软、硬件设计，就单片机、 塑性强，开发周期短，软、硬件设计相对简单，速度快，非常适合高精度，高速控制的领域，数据采集系统对精度和速度要求都比较高，故采用 系统 软、硬件 设计方案如下： 图 数据采集系统 硬件 系统框图 本系统 利用 片 辑 器件 为系统主控制器 进行系统硬件设计， 其外围 硬件 电路 包括时钟 电路 、按键 电路 、显示 电路 、 A/D 转换电路 、 D/存储 电路 共六大单元电路，软件 开发 采用 I 集成开发 环境 ，运用 言设计 系统 配置 硬件，控制各个外围器件的协调工作 。 F P G 采 集控 制 器A D 转 换 电 路时 钟 电 路D A 转 换 电 路存 储 器 件显 示 电 路键 盘 电 路电 源 电 路湖南工业大学本科毕业设计（论文） 4 A/D 转换模块 （ 片简介 12位逐次逼近型模数（ A/D）转换器。 分非线性（ 定为 1分非线性（ 1 2 。它使用符合 件在 500 50 件的工作电压范围很宽为 电流设计使它仅消耗 500 375典型待机电流和工作电流。 图 图 可使用标准的符合 通信。将 请参见图 果在引脚 低电平时给器件上电，则必须首先将此引脚拉高，然后再拉低才能启动通信。在 高电平时接收到的第一个时钟构成启动位。启动位后面的 和 用于选择单端或伪差分输入模式。 于选择使用的通道 ,或在伪差分模式下，用于确定通道的极性。在 后发送 位用于使能首先发送 数据格式。如果 为高电平，则以首先传输 格式从器件输出数据，然后只要 脚为低电平，接下来的时钟都将导致器件输出零。如果 为低电平，则器 件将在以首先发送 格式发送完转换结果后，再反过来以首先发送 格式输出该字。表 出了 件将在接收到启动位 后在时钟的第二个上升沿开始湖南工业大学本科毕业设计（论文） 5 对模拟输入信号进行采样。采样周期在 启 动位后的第三个时 钟的下降沿结束。 在与的时 钟脉冲的下降 沿处 ,器件将输出 表 一个低电平空 位。 随后 12个 连 续的时钟脉冲将以 首先发送 图 示。 器件总是在时钟的下降沿输出数据。所有 12 个数据位均发送完 毕后，如果器件继续接收时钟 脉冲，同时 ） ,则器 件将以首先发送 图 图 仅使用首先输出 图 使用首先输出 如果在 持为低电平时继续向器件提供时钟脉冲（在以首先发送 格式发送完数据后），器件将持续输出零。需要时，可将 为低电平，在启动位之前通过 输入前导零 6。 通道选择地S g l /D i f fO d d /S i g n 0 1单端模式伪差分模式11000101+文） 6 A/D 转换控制 硬件电路图 图 A/A/D 转换硬件电路 采用串行 12位高精度的 A/D(换芯片， 具有电路接线简单，精度高等优点， 脚接了两级反向器目的是提高 幅度能有效被A/D 器件识别。 本模块受主控制 器件 （ 控制， 实现模拟量到数据量的采集转换， 软件设计 根据 A/D 芯片 行通信 时序 （如图 采用状态机来控制实现 数据的采集。 D/A 转换模块 （ 片简介 线串行接口的 12位电压输出数 /模转换器（ 4线串行接口可以无缝联结地（ 行口接口。 个控制位和 12个数据位的 16位串行字符串来编程。可用于宽范围的电源电压， 阻串上的输出电压由 2倍增益的轨到轨（ 出缓冲器缓冲。缓冲器是一个 输出级，以改进稳定性和减少建立时间。 设计 者在速度和功耗的关系上作最佳选择。建立时间可由 16位串行输入字符串中的控制位来选择。一个高阻抗的缓冲器被集成在 以减少驱动该端时所需的低源阻抗。 艺，设计成用 电源工作。器件用 8引脚 至 70。 40至 85。 2位、单电源 包含一个并行接口、速度和掉电控制逻辑、一个基准输入缓冲器、电阻串以及一个轨到轨（ 出缓冲器。 输出电压（由外部基准决定满度电压）由下式给出： 其中 基准电压，而 数字输入值，范围从 0电复位将内部锁存为一个规定的初始状态（所有各位为零）。 打开下载界面，可看到 示还没有设置下载线，如 图 图 点击“ 弹出“ 话筐 ： 在 拉列表选择“ 点 回 “ 话框，从“ 拉列表选择 点击 看到下载线已经被添加。 （ 2）将 I 下载线一头与 接，另一头 插到 或 下载口。 （ 3） （ 4）如果只是验证设计是否成功，可通过 内，掉电后配置信息丢失。此时， 下载界面的“ 拉列表应选择“ 并选择工程中 缀的文件进行下载。 (注意记得在“ 个方框那里打上“”，其它“ “ 可根据需要选择 ） （ 5）如果要下载到非易失 配置芯片（掉电后配置信息不丢失）里去，则湖南工业大学本科毕业设计（论文） 28 将 到 片的下载口。并在下载界面的 “ 拉列表应选择 “ 并选择工程中 缀的文件进行下载。一般情况下使用 载即可，等整个设计都完成了不需要再修改后才把最后的 下载到 1。 系统 硬件测试 通过 试 ，当 V 时， 显示，通过一个电位器来改变输入电压值使其渐渐增加，可发现 加，通过利用万用表来测试输入实际电压值和 码管显示的数值发现误差在 内，满足系统设计要求，同时调整按键来改变输出电压值，利用万用表测量 者的误差也在 足系统设计要求。在 渐调节其频率直至 10时利用示波器在 D/A 输出端观测其输出波形是否失真，若无则满足系统设计要求。 下表 表 系统硬件测试数据记录 电压测量 测试仪器 万用表、示波器、信号发生器 测量频率 f=1号 实测电压值（ V） 系统测试 电压值（ V） 序号 实测电压值（ V） 系统测试 电压值（ V） 1 0 1 2 3 4 率失真情况测量 测试仪器 万用表、示波器、信号发生器 电压幅值 U=3V 频率 波形失真 频率 波形失真 频率 波形失真 500 4 1 8 5 2 9 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 29 6 3 10 7 11 据分析 从表 我们可以看出 实测电压值与系统测试电压值相比较，误差均在 满足系统设计要求。 频率失真情况测量在 0示波器上观察输出波形有若干干扰高频 尖峰脉冲 ，加上滤波电路后波形得到较大改善， 输出波形无明显失真 。 分析整个系统，误差来源包括 测量误差和系统误差， 这两个误差都是不能避免，只能尽量予以 减小 ，在数据测量上采用多次测量取平均值 ， 减小系统误差则通过多次优化 免数据位的丢失影响输出波形数据。 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 30 结 论 本文完成 了基于 据采 集系统的设计 与实现 ， 本系统所采用的核心部件是司 高性价比 的 I 的 号的 换芯片采用 具有高精度（ 12 位）、高速率串行传输和低功耗等优点， 整个 系统具有采集精度高、硬件电路结构简单、体积小等优点。 利用 真和验证， 便于 整个系统 设计的修改和优化， 同时 大大缩短了产品的开发设计周期。由 于 有在线编程的特点可以依据现场的具体情况，对 内部逻辑配置进行修改，进一步增加了系统应用的灵活性 和可塑性 ，经 系统硬件 测试该设计达到了满意的效果，是一种比较理想的 数据采集系统设计方案 ，且易于实现。 通过本次毕业设计实践，使我加深了对 理解， 熟悉了 开发设计流程，同时进一步加深了 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 31 参考文献 1 谭会生 ， 张昌凡 ， 西安 ： 西安电子科技大学出版社 ， 2001: 22 潘松 ， 王国栋 用教程 成都 ： 电子科技大学出版社 ， 2000:103 王小军 北京 ： 清华大学出版社 ， 1997:54 朱明程 ， 孙普泽 可编程逻辑系统的 计技术 南京 ： 东南大学出版社 ， 1998:1205 徐景方 ， 陆祥瑞 中国学术期刊网络出版总库 L. ， 20096 ， 20097 谭会生 ， 瞿遂春 西安 ： 西安电子科技大学， 2004:1298 徐光军 ， 徐光辉 北京 ： 电子工业出版社 ， 2002. 9 边计年 ， 薛宏熙 用 北京 :清华大学出版社 ， 2000. 10 基于 机械工业出版， 2006:411 张伟 ， 韩一明 ， 吴新玲 基于 电力情报 ； 200212 唐颖 ， 阮文海 高速数据采集系统控制电路的设计 现代电子技术 ， 200413 王卫江 ， 陶然 高速 电子技术应 用 ， 200414 成桂梅 ， 吴雁林 ， 苏蕾 ， 梁华 基于 数据接口电路设计 航天返回与遥感 ， 200535湖南工业大学本科毕业设计（论文） 32 致 谢 本文是在 石伟 老师的亲切 关怀和悉心指导下完成的，在此首先对我尊敬 的石 老师表示我最诚挚的谢意！在本系统设计过程中，石老师尽自己最大努力提供了良好硬件平台使本系统设计能圆满完成，在系统调试阶段出现了很多问题，石老师都热情的予以指导，提供很多宝贵建议， 这必定使我以后的学习和生活中会受益无穷。 石老师一丝不苟的工作作风、兢兢业业的科研精神和平易近人的 风范都 将 使我永生难忘 ，再次表示感谢。 同时，感谢我的同学黄锦培和陈斌，他们在我设计的过程中给了我很多富有实践性 的建议，使我的思路豁然开朗， 少了许多弯路， 在此深表谢意。 学生签名： 日 期： 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 33 附录 1 数据采集系统模块顶层设计图 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 34 附录 2 系统 部分 程序 程序： - 设计者： 吴年兴 建日期： 2009年 05月 14日