应用FPGA实现对电压信号的采集和转发毕业论文.doc

中北大学信息商务学院2012届毕业设计说明书应用FPGA实现对电压信号的采集和转发毕业论文目录1 绪论11.1 研究目的及意义11.2 国内外发展趋势及研究现状22 系统硬件电路的设计52.1 六路电压信号系统概述52.2 六路电压信号采集和转发的基本流程62.3 信号调理电路72.4 通道选择电路72.4.1 六路开关的选择72.4.2 ADG706的运用82.5 A/D转换电路92.5.1 A/D转换器的分类及其特点102.5.2A/D转换器的主要技术指标102.5.3 模数转换器AD7667112.5.4 AD7667在系统中的应用132.6 存储电路132.6.1 FLASH简介132.6.2 FLASH的一些重要参数142.6.3 FLASH在系统中的应用152.7 FPGA控制模块152.7.1 FPGA工作原理162.7.2 FPGA芯片的基本构架193 六路电压信号采集转发系统软件设计223.1 A/D控制模块的设计223.2 存储器模块的时序仿真223.2.1 数据存储223.2.2 数据读取234 结论25附录A AD控制模块部分程序26附录B 系统原理图31附录C 系统PCB版图32参考文献33致谢35第 I 页 共 页1 绪论1.1 研究目的及意义随着社会的发展和科学技术的进步，信号处理技术已经越来越广泛的应用于人类活动的各个领域。从20世纪60年代以来，数字信号处理技术已逐渐成为信号处理领域的主力，它已经渗透到各个应用领域之中。与此同时作为数字信号处理的前提六路电压信号也不断得到长足的发展，六路电压信号是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或者打印的过程，相应的系统称为六路电压信号系统。在生产过程中，应用六路电压信号。系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用六路电压信号系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获得科学奥秘的重要手段之一。对于微弱信号的采集和处理，多数是以单片机或CPU为控制核心，虽然编程简单控制灵活，但由单片机串行工作的特点所决定的，即使是高速度单片机也只能工作在us级；可靠性低，在某些情况下瞬间的复位会造成严重后果；不支持地址空间的扩展，只能用I/O端口来扩展外围器件；专门为超低功耗设计，工作电压为3.3V，不适宜工作在+5V工作电压；因此，单片机的指令周期以及处理速度的影响，对于多通道、多个A/D组成的阵列进行控制以及数据处理，普通单片机达不到要求，因此多路六路电压信号系统里往往不采用单片机直接控制。本课题就是为了在些微体积、低功耗的测试系统中实现高速六路电压信号的功能的同时而不增加系统的体积和功耗的情况下应运而生的，即用FPGA实现六路电压信号和数据实时压缩的功能。本课题主要研究六路电压信号和数据压缩两大方向，这两大方向的主要功能都是通过FPGA来实现。六路电压信号模块主要是通过FPGA对外部的A/D芯片进行控制。作为六路电压信号的典型应用电子测量仪器，它的应用范围也越来越广，向着多功能、多方位、多领域扩展，许多新的测试项目、新的仪器不断涌现，广大用户对电子测量的要求也由仅仅的稳定性提升为综合性要求，进一步上升为专业化、手持化、微机化、通讯化、监控化等等，本文正是应用电子测量仪器的六路电压信号端进行设计。在目前我们所应用的电子测量仪器中，其六路电压信号所采用的方法在实际的应用领域差异较大，一般均为定制的六路电压信号卡，有的通道较多但速度不够快，有的采集速度较快但通道较少。基于此，本文结合实际的项目，设计一种应用FPGA的高速多通道的仪器用六路电压信号系统，希望能为实际的产品提供有用的参考。1.2 国内外发展趋势及研究现状六路电压信号系统出现于20世纪50年代，1956年美国首先研发了用在军事上的六路电压信号测试系统。在20世纪60年代后期，国外就有成套的六路电压信号测试设备进入市场，此阶段的六路电压信号设备和系统多属于专用的系统1。进入20世纪70年代，随着计算机的普及应用，六路电压信号系统得到了极大的发展，开始出现了通用六路电压信号与自动测试系统。该阶段的六路电压信号系统主要由两类：一类由仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机构成。第二类由六路电压信号卡、标准总线和计算机构成。20世纪80年代后期，六路电压信号系统发生了巨大变化，由工业计算机、单片机和大规模集成电路组合，并用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大增强。20世纪90年代至今，由于微电子技术和集成电路制造技术的不断进步，出现了高性能、高可靠性的单片六路电压信号系统。目前有的产品精度已达16位，采集速度每秒可达几十万次。六路电压信号技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到广泛的应用，六路电压信号系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可以扩展和修改，迅速组成一个新的系统。微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅为高性能六路电压信号系统的应用开拓了广阔的前景，也对高性能六路电压信号技术的发展产生了深刻的影响。高性能六路电压信号系统的发展趋势主要表现在以下几个方面：（1）六路电压信号片上系统，它集六路电压信号、处理、运算、分析等为一身的六路电压信号芯片应运而生。（2）采用新型信息处理方法，近几年的数据融合技术、模糊信息处理技术和神经网络技术等，在六路电压信号和现代测试系统中得到了广泛的应用。（3）采用高智能化软件，它可以在一些场合下代替复杂的硬件电路去对信号做分析和处理。（4）网络化，以Internet为代表的网络技术的出现为测量仪器技术带来了前所未有的发展空间和机遇，网络化测量技术与具备网络功能的新型仪器应运而生。（5）通用化与标准化，它为系统更改、升级与大范围连接带来了便利条件，现代六路电压信号系统的通用化与标准化设计十分重要2。目前，国外企业已经推出了很多能适应不同条件，不同精度要求的六路电压信号系列产品。国内对六路电压信号设备的研制与国外的情况相比，在开发应用的广度和深度方面，还有一段距离，现场六路电压信号要求比较高的场合多是采用国外产品。由Alter公司推出的新一代专用集成电路是专门针对某一数字系统设计、生产的集成电路。ASIC皆有保密性，由ASIC构成的数字系统体积小、功耗低、成本低。随着工艺和技术的进步，极大地缩短了ASIC的研制周期，有效地降低了ASIC的设计成本。可编程ASIC缩小体积、减轻重量、降低功耗，提高可靠性，易于获得高性能，可增强保密性，在大批量应用时，可显著降低系统成本。现场可编程ASIC就是指现场可编程门阵列FPGA。FPGA的时钟频率可高达100MHz以上和I/O端口多，可以自定义端口功能等特点设计，并且可以将其模块化为A/D控制及并串转换、乒乓传输控制、RAM读写控制3部分。FPGA与单片机相比，FPGA具有很多的优势。FPGA产品的应用领域已经从原来的通信扩展到消费电子、汽车电子、工业控制、测试测量等广泛的领域。FPGA企业都在大力降低产品的功耗，满足业界越来越苛刻的低功耗需求。2001年之后，FPGA从150nm、130nm跃进到90nm，在2006年，65nm工艺又在第一时间被引入。采用65nm工艺技术，使FPGA产品的性能再次获得了飞跃，成本和功耗也大幅降低。 工艺技术推动的创新还在不断延续。Alter向业界发布了全球首款采用40nm工艺的FPGA和ASIC， FPGA产品已经进入45nm时代，32nm产品的研发也在紧锣密鼓地进行着。而每一代新工艺技术都像是FPGA业的重磅武器，让FPGA在与ASIC和ASSP的竞争中获得更大的空间。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活3。基于FPGA的I/O端口多、频率高，低功耗等优点，对于有严格时序要求的多路六路电压信号系统，采用FPGA构建六路电压信号系统核心控制电路，主要完成A/D转换及数据的采集、传输。2 系统硬件电路的设计2.1 六路电压信号系统概述六路电压信号电路是测试系统中的重要组成部分，其主要包括模拟电路部分和数字电路部分两个部分。其中的模拟部分主要是将前端的传感器所提供的电参量信号进行转换、放大、滤波等处理，使之成为适合AD或者显示记录仪器所需要的电压信号。数字部分主要是根据不同的需要按照不同的采样策略来对AD转换器进行控制，实现对模拟信号的采样和量化。同时数字部分的电路还要将所采集的数据进行处理、存储和向上位机传输，以便进行更进一步的数据分析。本文主要是实现数字部分的设计。将模拟信号转换为数字信号、并进行存储和计算机处理显示的过程称为六路电压信号，而相应的系统称为六路电压信号系统（Data Acquisition System）。六路电压信号是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等工作，它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础4。A/D转换的基本过程模拟量是时间上和幅值上都连续的一种信号，模拟量 经过采样后得到的信号是时间上离散，幅值上连续的信号，即离散信号，这一过程就是采样过程。计算机对这种离散信号还不能处理，计算机只能处理数字量，所以还必须把离散信号在幅值上也进一步离散化，这一过程就是量化过程。量化后的信号是时间上和幅值上都离散的数字量，可以直接送到计算机中进行处理。采样是将模拟量变换为离散量，一般包括采样与保持两个步骤，量化是将离散量变换成数字量，一般包括量化与编码两个步骤。采样与量化是A/D转换的基本过程。采样为了把一个连续变化的模拟信号转变成对应的数字信号，就必须首先把模拟信号在时间上离散化，也就是对模拟信号进行采样。采样的过程一般是：先使用一个采集电路，按等距离时间间隔，对模拟信号进行采样，然后用保持电路将采集来的信号电平保持一段时间，以便模数转换器正确地将其转换成对应的数字量。六路电压信号的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同需要进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被控制生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。六路电压信号几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医疗器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好的获取信息提供了良好的基础。在高速的六路电压信号系统中，往往会采用应用FPGA的六路电压信号系统架构，该系统主要由A/D+FPGA组成，A/D负责多路数据的采集工作，FPGA主要负责数据的缓冲存储以及对前端ADC的采样控制。该系统充分利用了FPGA的可编程性，灵活配置前端的采样控制以及数据的传输从而能很好的达到采样控制，FPGA可以作为系统的核心控制芯片，控制整个采集系统的工作，同时FPGA的工作频率可以达到百兆，并且内部含有丰富的可编程逻辑单元，因而该系统可以满足多路六路电压信号。2.2 六路电压信号采集和转发的基本流程六路电压信号在工业测试系统中试一个很重要的环节，其中精确性和可靠性是至关重要的。本课题阐述的数据系统精确度高达16位，能够对6个外部模拟通道行进A/D采样，最大模拟输入信号范围达到15+15V。该系统具有限幅保护功能，程序编写简便，能够实现对远端数据的采集和传输。图2.1 是系统总体结构图：调理电路6路电压信号A/D转换6路模拟开关FLASH数据存储FPGA主控单元USBPC机图2.1 系统总体结构图输入端的输入信号为需要采集的电压信号，一般由传感器提供；信号调理电路的主要作用是滤掉干扰，使传感器输入的被测模拟量更加准确；A/D转换使模拟量转换成数字量，以便实现数据采集的目的；FPGA提供整个系统的控制信号，让整个系统正常有序的工作；FIFO用来提供对采样后的数据进行缓存。数据采集存储系统工作可靠与稳定主要取决于信号采集、信号调理，数据传输以及数据存储四大模块设计5。数据采集与存储控制模块均采用Xilinx 公司的Spartan-系列FPGA 中的XC2S100实现。它作为控制器具有时钟频率高，编程配置灵活，内部延时小，运行速度快，I/O 端口多，配以IP 软核，本身集采样控制、处理、缓存、传输控制、通信于一个芯片内，各方面均满足系统对实时性和同步性的要求。2.3 信号调理电路从传感器输入的所有电压信号范围都是05 V，输入阻抗要求大于1M欧，由于电源模块的输出电压只有5 V，所以为了保证信号的完整性，设计中选用了具有轨对轨输出特性的运算放大器0PA4340，并进行了适当的分压及阻抗匹配处理，对输出也进行了适当的滤波处理，图2.2为设计中用到的信号调理电路。图2.2 单路信号调理电路2.4 通道选择电路设计中要求采集6路电压信号，为降低系统成本和减小体积，采用公共A/D转换电路，用1片16选1的多路开关来实现通道的选取。2.4.1 六路开关的选择选择多路开关时，通常考虑以下几个参数：（1）通道数量：通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响，因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大。平常使用的模拟开关，在选通其中一路时，其它各路并没有真正断开，只是处于高阻状态，仍存在漏电流，对导通的信号产生影响；通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。（2）导通电阻：理想的多路开关起导通电阻应为零，断开电阻应为无穷大，但现实中的模拟开关达不到这一要求。模拟开关的导体电阻会使信号电压产生跌落，尤其是和低阻抗器件串联使用的时候压降会相对较大。所以在选择开关时应考虑导通电阻，尤其是在使用低阻抗器件的时候。（3）开关时间：由于模拟开关器件中有导通电阻且有寄生电容，这就会产生一定的导通和断开时间，所以在选择开关时应考虑开关时间，并选择开关时间较小的器件。（4）泄漏电流：指开关断开时漏极电流。一个理想的开关要求导通时电阻为零，断开时电阻趋于无限大，漏电流为零。而实际开关断开时为高阻状态，漏电流不为零，常规的CMOS漏电流约1nA。如果信号源内阻很高，传输信号是电流量，就特别需要考虑模拟开关的泄漏电流，一般希望泄漏电流越小越好。（5）切换速度：对于传输快速变化的电路，要求开关的传输速度高，同时应考虑其频率不大于A/D的转换频率，从而使得电路性能更优。（6）器件封装：常用的模拟开关有DIP和SO两种封装，可以根据实际需要选择6。2.4.2 ADG706的运用本设计选用的ADG706是16路模拟选择开关，内部包括16路模拟开关阵列，用于通道选择的数字译码电路和使能输入控制。ADG706的四位地址位A0、A1、A2、A3的输入决定16路输入信号中要选择输出的通道号，使能端EN控制ADG706是否处于工作状态。EN信号为高电平时，模拟开关有效。其真值表如下：表2.1 ADG706真值表A3A2A1A0EN选通.A3A2A1A0EN选通XXXX0无.000011.100019000112.1001110001013.1010111001114.1011112010015.1100113010116.1101114011017.1110115011118.1111116ADG706采用28管脚的封装形式TSSOP，其在系统中的运用如图2.3所示。图2.3 模拟开关电路S1S16接外部的16模拟信号，A0、A1、A2、A3接FPGA给的地址信号，EN接使能控制信号，A3接地，D为输出端，输出的信号经调理后送给模数转换器。当EN信号为高电平时，模拟多路开关选通5。2.5 A/D转换电路A/D和D/A转换器是现代数字系统中的重要组成部分，应用日益广泛。D/A转换器的分辨率和转换精度均与转换器的位数有关，位数越多，分辨率和转换精度均越高。常用的集成ADC和DAC种类很多，其发展趋势是高速度、高分辨率、易与计算机接口，以满足各个领域对信息处理的要求7。2.5.1 A/D转换器的分类及其特点目前A/D转换器的种类虽然很多，但从转换过程来看，可以归结成两大类，一类是直接A/D转换器，另一类是间接A/D转换器。在直接A/D转换器中，输入模拟信号不需要中间变量就直接被转换成相应的数字信号输出，如计数型A/D转换器、逐次逼近型A/D转换器和并联比较型A/D转换器等，其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。而在间接A/D转换器中，输入模拟信号先被转换成某种中间变量（如时间、频率等），然后再将中间变量转换为最后的数字量，如单次积分型A/D转换器、双积分型A/D转换器等，其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性能强，一般在测试仪表中用得较多8。图2.4 AD分类图2.5.2 A/D转换器的主要技术指标分辨率：指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度电压 与 的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。转换速率：是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。采样时间则是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率必须小于或等于转换速率。量化误差：量化误差由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。偏移误差：偏移误差指输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。满刻度误差：满刻度误差指满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。线性度：线性度是指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。其他指标还有：绝对精度，相对精度，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真和积分非线性9。2.5.3 模数转换器AD7667AD7667是16位，1MSPS的电荷再分配SAR模数转换器，由单一5V电源供电。该器件包含一个高速16位采样ADC，一个内部转换时钟，内部参考，纠错电路，以及串行和并行系统接口端口。AD7667具有很高的采样率模式（warp模式），用于异步应用的快速模式（标准模式），和为了低功耗应用的电源减少模式（impulse模式）。AD7667经过全面测试，从而确保除了增益，偏移和线性度等参数外，使信噪比（SNR）和总谐波失真（THD）等这些交流参数满足要求。AD7667芯片特性： 2.5V内部参考电压：典型温漂为3 ppm/，承受最大温漂为15 ppm/。吞吐量：1MSPS（warp模式）800KSPS（正常模式）666KSPS（impulse模式）16位分辨率，无失码。信噪比: 88 db min 20 kHz；（总谐波失真）THD: -96 dB max 20 kHz模拟输入电压变化范围：0V to 2.5 V无流水线延迟；并行/串行5 V/3V接口；与SPI/QSP/ MICROWIRE/DSP兼容；单5伏电源供电；功耗：典型功耗为87毫瓦666kSPS的典型值为130微瓦 1k SPS时为133毫瓦，无参考 1M SPS有参考；48引脚LQFP封装和48引脚LFCSP封装：引脚与AD7671，AD7677兼容10。图2.5 AD7667芯片产品要点：1.快速吞吐量。 该AD7667是l MSPS的具有内部纠错电路的电荷再分配，16位SAR ADC。2.高级INL 该AD7667具有最大的2.0个LSB无失16位代码积分非线性。3内部参考 AD7667具有温漂的典型值为3 ppm/的内部参数。4单电源操作 AD7667采用单5v电源。在impulse模式下，其功率消耗随吞吐量而降低。5并行/串行接口多用并行几或2线串行接口都和3V和5v得逻辑兼容。2.5.4 AD7667在系统中的应用电压信号经调理电路后由IN输入，经模数转换后，输出16位数字信号；控制信号RD、CS、CONVST、BYTE和RESET由FPGA输入，BUSY信号输入FPGA，向FPGA提供芯片的工作状态，整个A/D受FPGA的控制。硬件电路如图2.6所示。 图2.6 A/D转换电路2.6 存储电路存储电路用来存储采集后的数据，以保证采集的数据不会丢失。2.6.1 FLASH简介闪存的英文名称是“Flash Memory”，一般简称为“Flash”，它属于内存器件的一种。 不过闪存的物理特性与常见的内存有根本性的差异： 目前各类 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都属于挥发性内存，只要停止电流供应内存中的数据便无法保持，因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存； 闪存则是一种不 挥发性（Non-Volatile）内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础11。2.6.2 FLASH的一些重要参数闪存则是一种不 挥发性（Non-Volatile）内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。 NAND 闪存的存储单元则采用串行结构，存储单元的读写是以页和块为单位来进行（一页包含若干字节，若干页则组成储存块，NAND 的存储块大小为 8 到 32KB ），这种结构最大的优点在于容量可以做得很大，超过 512MB 容量的 NAND 产品相当普遍， NAND 闪存的成本较低，有利于大规模普及。 NAND 闪存的缺点在于读速度较慢，它的 I/O 端口只有8个，比 NOR 要少多了。这区区 8个 I/O 端口只能以信号轮流传送的方式完成数据的传送，速度要比 NOR 闪存的并行传输模式慢得多。再加NAND 闪存的逻辑为电子盘模块结构，内部不存在专门的存储控制器，一旦出现数据坏块将无法修，可靠性较 NOR 闪存要差12。 相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处,因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码,这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。 NOR的特点是芯片内执行,这样应用程序可以直接在flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高,在14MB的小容量时具有很高的成本效益,但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。NAND结构能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。性能比较：flash闪存是非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的,而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距,统计表明,对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时),更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样,当选择存储解决方案时,设计师必须权衡以下的各项因素。（1）NOR的读速度比NAND稍快一些。（2）NAND的写入速度比NOR快很多。（3）NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。（4）大多数写入操作需要先进行擦除操作。（5）NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。2.6.3 FLASH在系统中的应用 图2.7 flash存储电路2.7 FPGA控制模块FPGA通过I/O口输出的数字信号实现对A/D转换器、模拟多路开关和FIFO的控制。其原理图如下所示：图2.8 FPGA控制模块电路A/D的控制： FPGA输出的RESET信号控制A/D的复位（低电平复位，设计中的RESET一直为高电平）、CS信号控制A/D的选通（低电平选通，设计中的CS一直有效）、RD信号实现对A/D转换后的数字信号的读（低电平有效）、BYTE信号控制A/D转换后的输出方式（本设计中BYTE信号一直为低，即A/D的输出形式为16位并行输出）。开关的控制：FPGA通过输出的使能信号EN和地址控制信号A来控制开关的选通即通路的选择13。2.7.1 FPGA工作原理可编程逻辑阵列器件是可以由用户进行编程以实现所需逻辑功能的数字集成电路，利用其内部的逻辑结构实现任何布尔表达式、寄存器函数。和一般的ASIC电路相比，可编程逻辑阵列器件具有设计周期短，修改方便的优点。1985年，Xilinx公司推出了世界上第一款FPGA，此后，FPGA的发展非常迅速，形成了各种不同的结构，目前主流的FPGA是Xilinx公司的产品。FPGA是在PAL,GAL,EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。通过编程可以立刻把一个通用的FPGA芯片配置成用户需要的硬件数字电路，因而大大加快了电子产品的研发周期，降低了研发成本，缩短了产品上市时间。FPGA具有高密度，运行速度快(管脚间的延时小，仅几个ns)的特点。用它来设计数字电路可以简化系统设计，缩小数据规模，提高系统的稳定性14。FPGA是由掩膜可编程门阵列和简单可编程逻辑器件演变而来的，将它们的特性结合在一起使得FPGA既有门阵列的高密度性和通用性，又有可编程逻辑器件的用户可编程特性。按FPGA的逻辑功能块的规模和功能分类，FPGA可分为三大类：细粒度FPGA、中粒度FPGA和粗粒度FPGA。细粒度FPGA的逻辑功能较小，资源可以充分利用，但连线和开关多，速度慢；粗粒度FPGA逻辑功能块的规模大，功能强，但资源不能充分利用。反熔丝FPGA器件可以称为细粒度的产品，基于SRAM的FPGA器件多数属于中粒度产品。根据编程方式FPGA器件基本可分为三种：基于反熔丝编程的FPGA、基于SRAM编程的FPGA、基于闪存编程的FPGA。基于AD7667采集芯片反熔丝编程的FPGA具有体积小、集成度高和高速度的特点，还具有加密、防拷贝、抗干扰以及不需外接只读存储器的特点，但只能一次编程，比较适合于定型产品。后两种FPGA属于可重复编程型FPGA，SRAM型FPGA的突出优点是可反复编程，甚至能在系统运行中改变配置数据实现系统功能的动态重构。Flash Memory型FPGA具有非易失性和重复编程的双重优点，但不能动态重构，功耗也较SRAM型FPGA高。从逻辑块的构造分类，FPGA的结构有三种：查找表型、多路开关型和多级与或门型。Xilinx公司FPGA的逻辑块构造有查找表型和多路开关型，其中具有代表性的查找表结构是Xilinx公司的XC系列FPGA，它的可编程逻辑单元是查找表，由查找表构成函数发生器，再由查找表来实现逻辑函数。Alter公司的FPGA器件，其逻辑块构造为多级与或门型，它的可编程单元是可配置的多路开关。利用多路开关的特性，对它的输入和选择信号进行配置，接到固定电平或输入信号上，实现不同的逻辑功能。还有一种是采用多级与非门结构的Alter公司的FPGA，在多级与非门结构中，可编程逻辑单元是一个异或逻辑块。查找表型的优点是功能多，N输入的查找表可以实现N个任意的组合逻辑函数。多路开关型的优点是可以把大量的多路开关和逻辑门连接起来，构成大量函数的逻辑块。多级与或门型的优点是可以方便地将待反馈的输出信号反馈到输入端，以实现闭环控制逻辑和多个逻辑块之间的级联15。FPGA兼有串、并行工作方式和高集成度、高速、高可靠性等明显的特点，其时钟延迟可达纳秒级，同时，在应用芯片的设计中可以减少芯片数量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高系统的性能指标和可靠性。正是由于FPGA具有这些优点，FPGA在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景.。在高可靠应用领域，如果设计得当，将不会存在类似于MCU的复位不可靠和PC可能跑飞等问题。FPGA的高可靠性还表现在，几乎可将整个系统下载于同一芯片中，实现所谓片上系统，从而大大缩小了体积。与ASIC设计相比，FPGA显著的优势是开发周期短，投资风险小、产品上市速度快，市场适应能力强和硬件升级回旋余地大，而且当产品定型和产量扩大后，可将在生产中达到充分检验的VHDL设计迅速实现ASIC投产。随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系统设计进入“片上可编程系统”(SOPC)的新纪元：芯片朝着高密度、低压、低功耗方向挺进:在SOC芯片上可以将微处理器、数字信号处理器、存储器、逻辑电路、模拟电路集成在一个芯片上。而如果将可编程逻辑电路1P核集成到SOC芯片上则会大大提高SOC芯片的灵活性与有效性，并且缩短了SOC芯片的设计周期。因此国际各大公司都在积极扩充其IP库，以优化的资源更好的满足用户的需求，扩大市场。由此可见，FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，这使得FPGA占有越来越多的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使FPGA成为首选。FPGA普及的另一重要原因是IP(知识产权)越来越被高度重视，带有IP内核的功能块在ASIC设计平台上的应用日益广泛。越来越多的设计人员，采用设计重用，将系统设计模块化，为设计带来了快捷和方便。并可以使每个设计人员充分利用软件代码，提高开发效率，减少上市时间，降低研发费用，缩短研发周期，降低风险。FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。2.7.2 FPGA芯片的基本构架为了让高产量应用的开发人员首次在产品中加入安全的系统内编程 (ISP)功能，Actel公司宣布实时推出ProASIC3激活套件及其25万门A3P250现场可编程门数组的样片。 Actel推出两种版本的激活套件，能够简化设计的实施并为A3P250器件提供低成本的全速编程能力。激活套件备有原型构建和低成本评估两个版本，能让开发人员探索ProASIC3/E系列产品独特的结构特性，包括安全的系统内编程和上电即用功能。A3P250器件是Actel ProASIC3/E系列产品的最新成员。ProASIC3/E是业界最低成本的FPGA产品系列，也是唯一通过128位AES加密技术来提供安全系统内编程功能的单芯片器件。A3P250对于消费电子、工业、医疗、通信和汽车等以价值为基础的高产量应用领域来说，是极吸引的可编程逻辑解决方案。由于FPGA需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本结构不可能像ASIC那样通过固定的与非门来完成，而只能采用一种易于反复配置的结构，查找表可以很好的满足这一要求。目前主流FPGA都采用了基于SARM工艺的查找表结构。查找表本质上就是一个RAM，当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可16。由于基于LUT的FPGA具有很高的集成度，其器件密度数万门到数千万门不等，可以完成极其复杂的时序逻辑电路与组合逻辑电路，因此适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。其组成部分主要包括编程/输入输出单元、基本可编程逻辑单元、内嵌SARM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用单元等。FPGA是由存放在片内的RAM来设置其工作状态的，因此工作需要对片内RAM进行编程。用户可根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。FPGA有如下几种配置模式：（1）并行模式：并行PROM、Flash配置FPGA。（2）主从模式：一片PRAM配置多片FPGA。（3）串行模式：串行PROM配置FPGA。（4）外设模式：将PROM作为微处理的外设，由微处理器对其编程。目前，FPGA市场占有率最高的两大公司Xilinx和Altera生产的FPGA都是基于SARM工艺的，需要在使用时外接一个片外存储器以保存程序。上电时，FPGA将外部存储器中的数据读入片内RAM，完成配置后，进入工作状态；掉电后FPGA恢复为白片，内部逻辑消失。FPGA器件内部的结构与资源分布：（1）逻辑单元与逻辑阵列逻辑单元是在FPGA器件内部，用于完成用户逻辑的最小单元，它主要由以下部件组成：一个输入的查找表、一个可编程的寄存器、一条进位链和一条寄存器级连链。查找表的功能是用于完成用户需要的逻辑功能，CYCLONE II系列器件中的查找表是4输入1输出的查找表。可编程的寄存器可以被配置为D触发器、T触发器、JK触发器或者SR锁存器。每个寄存器包含有4个输入信号：数据输入、时钟输入、时钟使能输入以及复位输入。其中，内部逻辑，外部引脚能够驱动寄存器的时钟输入、时钟使能输入和复位输入、时钟输入和复位输入也可以通过全局时钟树驱动17。逻辑阵列的主题是16个逻辑单元，另外还有一些逻辑阵列内部的控制信号以及互联通路，使得逻辑阵列具有一些特性。本地互联通路是逻辑阵列的重要组成部分，它在16个逻辑单元之间起高速路由的作用，为一个逻辑阵列内部的逻辑单元提供高速的连接链路。逻辑阵列还包括一些控制信号：两个时钟信号，两个时钟使能信号、两个异步复位信号、一个同步复位信号和一个同步加载信号。（2）内部连接通路在FPGA器件内部存在各种连接通路，用于连接器件内部的不同模块，因为FPGA期间内不得资源是按照行列的方式分布的，所以连接通路也分为行连接和列连接两种。（3）时钟资源A3P250系列器件中时钟资源主要包括全局时钟树和锁相环PLL两个部分。全局时钟树负责把时钟分配到器件内部的各个单元，控制器件内部的所有单元。锁相环PLL则可以完成分频、倍频、移相等有关时钟的基本操作。（4）内部存储器A3P250系列FPGA的内部存储器容量有了大幅提高，做多可以达115200bit。（5）输入/输出引脚A3P150器件的输入/输出引脚被分为几组，每个输入/输出组都有单独的供电电源，因而用户可以为不同的输入输出组提供不同的电压，从而在不同的输入/输出组内使用不同的输入输出标准。3 六路电压信号采集转发系统软件设计3.1 A/D控制模块的设计AD采样控制模块将控制AD7667完成自动A/D转换操作，模数转换器由其内部时钟驱动。当采集某一通道的模拟量时，A/D需要完成的主要功能有转换和向FPGA传送转换后的数字量。所以对AD，最重要的是分配好转换和读允许的时序。AD控制单元示意图如图3.1所示。图3.1 AD控制单元示意图AD7667控制模块部分程序设计见附录A。3.2 存储器模块的时序仿真此系统要求能对6路电压信号同时采集存储,事后可对存储数据计算机读取分析。根据此种要求我们设计实现了多路采集存储器, 此种存储其使用FPGA 和FLASH 存储器。满足体积小, 功耗低的要求。3.2.1 数据存储对数据的存储, 我们采用闪存(FLASH Memory)作为存储器, 它具有体积小、功耗低和数据不易丢失的特点。对FLASH的写操作过程有其固定的操作模式, 如图3.2 所示。由于FLASH是按页存储的, 当一页写完之后要进行下一页的控制字和地址的重新写入, 为了使采集回来的数据能及时准确的写入FLASH, 而不至于在页与页的交替时间内使数据丢失, 所以不可能将采集回的数据直接存入FLASH, 我们利用FPGA 内部提供的RAM来构成双端口RAM作为数据存储过程中的缓存, 采集回来的数据先写入双端口RAM, 然后再导入FLASH。过程是采回数据从A 口写入双端口RAM。双端口RAM中的数据从B口读出, 然后写入FLASH, 在操作的过程中, 要保证双端口RAM的B 口地址推进要小于其A口的地址推进。因为在采集过程中使用了16的位的AD, 加之FLASH 存储器是8位的存储器, 所以就使得每次采集的数据要分2次存储, 我们采取的方式是高8位存储一次, 低8位加补标志码的存储一次18。图3.2 FLASH写操作时序图3.2.2 数据读取数据的读取有很多种方法, 目前有串口、并口、USB 口或PCI总线方式读取。我们这里采用并口读取方式。因为数据存储量大, 我们采取了并口主动读取的方法, 消除了并口从动读取速度慢的问题, 采用EPP模式, 读取数据速度能达到500K2Mb/s 的数据量。FPGA 此时的工作是使读数和采集的控制线与数据线的隔离19。这时并口可直接对FLASH 的控制线和数据线进行操作。对FLASH 的读数操作也有其固定的操作过程。FLASH 数据的擦除是按块擦除的, 所以它的特点是擦除速度快, 一般在几秒钟内就完成了。当一次采集存储完毕后, 数据就长久保持在FLASH 内, 不会丢失, 若要从新采集存储, 则必须要先进行FLASH 擦除。相关时序图如下：图3.3 FLASH擦除操作时序图4 结论本文就六路电压信号采集电路的组成原理、通道选择电路设计、模数转换电路设计以及控制电路的设计做出了详细的说明，设计出了符合课题要求的6路电压信号采集电路。首先介绍了电压信号采集系统的特点及发展情况，并根据课题的实际要求提出了总体设计方案和原理框图；接着按照整体结构图，设计每一部分的硬件电路图，再进行软件设计并仿真；最后得出结论：该系统能对6路电压信号进行采集和转发。由于整个系统的控制采用FPGA实现，具有组织方式灵活的特点，可以依据现场的具体情况，对FPGA的内部配置进行修改、调试。这种六路电压信号系统可适用于多种同步六路电压信号的应用场合，是一种比较理想的实时六路电压信号方案。该设计已经应用在多模块的红外线列探测器地面成像演示系统中，实际中的应用证明，基于FPGA的高速六路电压信号系统完全可以满足其六通道采集的要求。附录A AD控制模块部分程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity control isport(fosc : in std_logic;state : in std_logic;ctl1 : in std_logic;ctl2 : in std_logic;qf : in std_logic;grst