【《基于FPGA结构的电压信号采集系统设计》15000字】

。首先，在程序中，用户需要编写好自己所要显示的英文字母或数字，然后通过程序编译到LCD屏幕的芯片里。当芯片接收到代码的时候，会根据代码内容，对相对应的寄存器进行操作处理，自动生成出我们想要显示的英文字母或数字ASCII码，最后控制电路会把它显示在液晶显示屏上。

5系统软件设计与分析5.1程序开发背景QuartusII是Altera公司提供的FPGA开发集成环境，在该开发环境下，可以完成设计的输入、HDL的相关综合、对设计进行布局布线、进行仿真验证和相关硬件测试。因此本设计选择该软件为软件原理图设计和VerilogHDL语言编程设计提供开发环境下，使用内嵌自有的综合器对功能设计进行仿真。QuartusII具有模块化的编译器，有利于本设计模块化的verilogHDL语言的编译与仿真。它也具有数字逻辑设计的相关特征，对于输入设计及仿真有着重要的作用。它能提高设计的效率，从而降低设计的成本，对设计者的设计工作大大减少。QuartusII的原理图输入法的设计流程有着严谨的结构，首先要进行原理图的编辑，其次根据功能需求编辑设计文件，再进行编译仿真验证，确认无误后，再对各个端口进行引脚锁定，最后进行编译下载和硬件调试。。5.2系统总程序流程分析本次程序设计方面采用了模块化结构设计，这种方法拥有操作便捷且利于修改的特点。本次课题的程序可以分为系统初始化程序、A/D转换程序以及LCD液晶显示程序三个方面。系统及显示器会先进行初始化设置，之后A/D转换程序会对输入进来的被测的模拟电压的模拟量进行数据采集，并通过内部电路转换为0～5V的数据，最后输出给LCD显示屏进行显示结果，完成电压信号采集系统的测量功能。设计方案的总体流程图如图5.1所示。图5.1设计总流程图5.3系统芯片程序流程首先对ADC0809进行初始化设置后，启动A/D模数转换，首先给芯片发送一个启动信号，当START引脚的电平由高电平转为低电平并保持时，开始模数转换，当EOC的引脚由低电平变成高电平时，完成模数转换，并且转换后的数字值保持在锁存其中，最后读取转换结果数据值，结束本次转换。系统芯片程序流程图如图5.2所示。图5.2系统芯片程序流程图5.4系统显示程序流程LCD1602首先会进行初始化设置，通过调用LCD1602的读状态判断液晶显示是否空闲，之后通过内部控制电路将显示地址输入，最后将采集和处理的电压数值写入，并在显示屏上显示出来。系统显示程序的流程图如图5.3所示。图5.3系统显示程序流程图

6信号采集系统仿真与测试前几个章节的内容主要对信号采集系统传感器发展背景以及研究意义等进行了介绍，并且探讨了方案设计、平台要求以及平台设计过程等内容。本章节就之前硬件程序设计的基础上增加软件设计内容，建设一个系统测试平台，从而有效的分析各功能的情况。6.1基于FPGA的电压信号采集系统模型一般来说，信号采集系统传感器系统的构成主要包括软件系统以及硬件系统，其中，硬件系统中主要分为信号输出端、信号处理端和信号输出端，如下图6-1。而软件系统的构成内容有：测试软件构成、程序代码等，一般来说，在程序代码之中会应用模块化设计理念，这切实有效的降低了开展程序设计工作的难度，切实有效的缩短了开发所需的时间。图6-1系统调试平台6.2系统软硬件调试在搭建好调试平台后，需要对软件程序进行调试，若程序调试没有问题，接下来开始验证系统功能是否满足要求，若功能有问题，需要继续调试程序，反复进行，直到所有功能都满足为止。6.2.1系统软件调试软件调试步骤如下：(1)在QuartusII软件中先创建一个工程：点击软件菜单栏中的“PROJECT”，写入需要建立的工程名字“基于FPGA的信号采集系统传感器系统”，并保存；然后型号是“FPGA”。（2）新建用户源文件：在工程文件中新建编译文件，可以在里面书写和调试软件代码，软件建立完毕后保存软件名称为“基于FPGA的信号采集系统传感器系统.c”，新文件创建完成。（3）程序编译和调试：点击软件中编译菜单，软件会自动对编译的代码进行检查，编译框下面窗口显示编译后的结果信息，如图4-2中有error，可以通过提示错误信息直接定位到错误的地方和错误代码类型，更改后继续编译修改，一直到编译完全正确结束，如图4-2所示。工程打开后通过点击工具栏中的“Programmer”图标打开下载界面，通过“AddFile”按钮选择串口工程中top_remote_rcv/par/output_files目录下“top_remote_rcv.sof”文件，下载界面如图4-3所示.将下载器一端连电脑，另一端与开发板上对应端口连接，然后连接电源线并打开电源开关。开发板电源打开后，在程序下载界面点击“HardwareSetup”，在弹出的对话框中选择当前的硬件连接为“USB-Blaster”。然后点击“Start”将工程编译完成后得到的sof文件下载到开发板中。下载完成后，就可以观察显示屏上显示的数据了；长按按键的话，可以观察到LED通过外接不同的电压值，实现四通道对于电压数据信息的采集与显示。图4-2编译结果图4-3仿真器配置对话框6.2.2系统硬件调试在经过上面编写的程序编译没有问题后，烧录到里面，接下来开始验证功能是否满足设计要求。（1）最小系统验证：首先对于FPGA最小系统电源进行检测，开始检测供电系统是否正常，用万用表检测输入电压是否为5V，通过万用表测量电压是4.95V，满足系统供电要求；然后用万用表测量芯片供电管脚电压是否满足要求，实际测量满足要求；最后把芯片插入到底座上，正式启动系统，接下来开始逐一验证设计的系统是否满足要求。（2）功能验证：当系统启动后，上电确认显示模块和继电器检测的状态，对于默认数据进行校准。6.3测试结果分析我们使用的FPGA是Altera公司的EP1C3T144C8N，用状态机作法，产生ADC0809CCN的片选信号、读/写控制信号，通过状态信号INTR判断转换是否结束；转换结束后将转换数据锁存并输出,管脚配置如下图所示图4-4FPGA管脚配置各状态的动作方式如下：parameterst0=3'b000,//第0个状态st1=3'b001,st2=3'b010,st3=3'b011,st4=3'b100,st5=3'b101,st6=3'b110;由上述的六个状态可以归纳出整个控制器的动作功能有：负责在每个步骤送出所需的CS、WR、RD控制信号。当110时为wait等待，当111时为read读，当101时开始从ADC中读数。图4-5控制器仿真图ADC0809是8位模数转换器，它的输出状态共有256种，如果输入信号Ui为0～5V电压范围，则每两个状态值为5/(256-1)，约为0.0196V，故测量分辨率为0.02V。常用测量方法是：当读取到DB7～DB0转换值是XXH时，电压测量值为U≈XXH×0.02V；考虑到直接使用乘法计算对应的电压值将耗用大量的FPGA内部组件，本设计用查表命令来得到正确的电压值。在读取到ADC0809的转换数据后，先用查表指令算出高、低4位的两个电压值，并分别用16位BCD码表示；接着设计16位的BCD码加法，如果每4位相加结果超过9需进行减10进1。这样得到模拟电压的BCD码。其方框图如图4.6图4-6AD0809仿真图仿真图为图4.4：图4.7数据处理模块本模块的功能仿真结果如图4.4所示；当转换数据为10110110，通过查表高4位1011是3.438V，而低4位0110是0.098V，最后的电压输出结果是3.438V+0.098V=3.536V，它的BCD码表示为0011010100110110，仿真结果正确。DATAIN是数据处理模块输出的电压值的BCD码；SEL是数码管的片选信号；通过扫描分别输出四位电压值的BCD码DATA，将BCD码译成相应的7段数码驱动值，送数码管显示。其方框图如4.5图4.8显示模块模块仿真图为图4.6：图4.9显示模块仿真图当三大模块的VHDL语言组合在一起就得到了数字电压表的VHDL程序，然后进行程序烧写，排线，就形成了数字电压表。调节滑动变阻器可以得到测量的电压。最后设计整体的顶层框图如图4-10所示图4.10顶层模块仿真图在测试过程中，会因为实际环境参数，验证设备和测试手法等其他因素都会影响最终的测试结果的，在一定的程度上都会影响采集数据值与真实实际值之间存在一定的误差，例如本设计中，在数据采集中会因为系统设备存在一定的延时，导致采集信号不准确。为了降低实验中的误差，控制系统一般采用修正的方法来降低实际实验中的误差。其中修正的方法一般是在实验前或者实验中，通过其他某类系统误差的修正值来弥补该类误差值。以下为quartusII仿真时序图像。在因为AD采集到的数据ad_data=256×𝑉𝐴𝐼𝑁/3.3，所以输入的模拟电压VAIN=𝑎𝑑_𝑑𝑎𝑡𝑎×1000/(3.3×1000256)。程序中第35行我们对采集到的AD数据进行了处理，使其乘以V_REF（3300），也就是对参考电压放大1000倍，然后在第58行以右移8位的方式除以256。结合顶层模块的第20行可知我们使数码管的小数点显示在第4位数码管，相当于对输入给数码管显示的数值缩小1000倍，这样我们送给数码管显示的值就是实际的模拟输入值。图4-4电压参数仿真图为读取过程中SignalTap抓取的波形图。可以看到寄存器地址为40h，也就是控制字为0x40，选择的是通道0（AIN0），并使能模拟输出。当前读到的AD值为02h，写的DA值为03h，可见传送的上次AD转换的值，传递给数码管显示的数值为25，表明当前输入的模拟电压的值为0.025V，设置输入参考时钟为10MHz，设置建立了门控信号之后，我们需要通过门控信号分别使能基准时钟和被测时钟的计数。因为门控信号对基准时钟而言是异步信号，所以这里我们对门控信号进行了两次打拍处理得到基准电压下的门控信号gate。在门控信号的下降沿将计数值寄存并清零计数寄存器。在取得数值后，我们需要计算被测信号的电压值，由于在计算周期内数值已不再发生变化（计数值已寄存），而且保留了足够的计算时间，所以可以不用FIFO进行异步处理。计算完之后，把所得的结果赋给寄存器变量data_fx，鉴于最大显示为4位数，换成二进制表示为20bit，所以data的位宽设为20位，可以根据需要进行修改。信号采集系统运行过程中抓取的波形图。从图中可以看到当门控gate信号为高电平时，cnt开始计数，当gate为低电平时停止计数，计数的值为门控时间GATE_TIME，测得的结果data为500000，等于被测时钟电压。图4-5时钟分频仿真图根据ADC0809工作原理设计的采样控制器模。模块图如图4-6所示。其中d[7:0],eoc,oe,ale,start与ADC0809的同名引脚相对应;reset为复位信号,高电平有效;q[7:0]为采样控制器的输出数据,其实际上是ADC0809转换所得数据的缓存输出。系统仿真如图所示图4-6系统仿真图DATAIN是数据处理模块输出的电压值的BCD码；SEL是数码管的片选信号；通过扫描分别输出四位电压值的BCD码DATA，将BCD码译成相应的7段数码驱动值，送数码管显示。实物测试如图所示图4-7初始化图通过外接3.7V电压信号在继电器端，通过AD模块对于电压信号进行检测，显示器实时显示电压的变化状态，最后在显示模块上显示对应采集的电压信号数据值。实际测试如图4-8所示图4-8实时显示图6.4本章小结本章对QuartusII仿真软件进行了简介,构建了QuartusII仿真模型，以及电压信号采集控制系统模型,在电压信号采集过程进行了分析。模拟示波器输出证实了电压信号采集系统的合理性和有效性。总结与展望随着电子技术的不断发展与进步，电子系统的设计方法发生了很大的变化，传统的设计方法正逐步退出历史舞台，而基于EDA技术的芯片设计正在成为电子系统设计的主流。而FPGA是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路（ASIC）之一。其开发周期短、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。对于大规模的逻辑设计、ASIC设计，或单片系统设计，则多采用FPGA。FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。本文首先完成信号采集相关文献的研究，在此基础上提出一种合理的设计方案并进行合理分析，随后在此设计方案的基础上完成硬件电路的设计，利用EDA软件完成硬件电路原理图的绘制，随后对硬件电路实现的功能进行分析，利用quartusII软件完成程序代码的编写编译，最后将程序烧入硬件系统中进行整体调试，本系统的调试分为四路电压信号的采集，经过一系