基于FPGA的ADC采集系统的设计

1、在高速数据收集中，基于FPGA的单片机和DSP具有无可比拟的优势，FPGA提供了高时钟频率、小内部延迟、全控制逻辑以硬件完成、快速度、高效率、灵活配置形式等特殊点。因此，本文研究开发了基于FPGA的数据采集系统。FPGA的IO端口可以自由定义，没有固定总线限制，因此更灵活。本文提出的数据收集系统设计是以FPGA为整个数据收集系统的核心来控制系统定时和每个逻辑模块。根据FPGA强大的功能基础，FPGA将ADC、显示设备和其他外围电路适当地连接到桥上，最终达到了主题的要求，以实现数据收集的目的。关键字FPGA A/D转换abstract FPGA is better than micro cont

2、roller and DSP in high speed data acquisition，FPGA has higher internal clock frequencytherefore，This paper introduces and develop APS a data acquisition system which is based on FPGA。the I/o pin of FPGA can be defined yourself without fixed limit，It s very flexible . this design of data acquisition

3、system use FPGA as the derelying on the powerful function of FPGA、FPGA can connect ADC、display devices and other peripheral circuits、Finally web can achieveKey words FPGA A/D第一章简介.1.1主题等环境和国内外研究概述.2 1.3建立主题和本文完成的主要工作.3第2章Altium Designer和Quartus II简介.4 2.1 Altium Designer简介.4 2.2 Quartus II简介.5 2.3摘要

4、.7 3.1系统概述.8 3.2.1 FPGA模块.10 3.2.3电源模块.13 3 3 . 2 . 4 AD模数转换器模块.16 3.2.6晶体振动.19 3.2.8 EPCS.19 3.2.9 JTAG.19 3.3摘要.22 4.1 Verilog HDL程序.22 4.2收集波形.23 4.3摘要.26 5.1 FPGA应用.26 5.2 FIFO高速缓存设计.第26章结论.基于30 FPGA的ADC收集系统设计第1章简介1.1主题背景和国内外研究概述典型数据收集系统通常使用单片机或DSP作为主控制模块来控制ADC、存储设备和其他外围电路的运行。随着对数据收集速度性能的要求越来越高，

5、现有收集系统的缺点越来越大。由于单片机的时钟频率低，需要软件来收集数据，因此收集速度和效率会降低，软件运行时间占总采样时间的很大一部分，FPGA具有单片机无法比拟的优点。FPGA时钟频率高内部延迟小，所有控制逻辑均在硬件上完成，速度快，效率高1。数字信号处理将信号以数字形式收集、转换、滤波估计、增强、压缩、识别等处理，获得符合需要的信号形式。信号处理目前有两种方法。使用信号处理器DSP通过软件编程实现。应用FPGA实现。使用软件编程具有很大的灵活性，但是DSP中的所有命令执行时间都是单个周期，根据串行命令流，每个时钟周期的所有操作数都受到限制，很难实现高速大规模运算。现在，高容量、高速FPGA

6、通过使用硬件描述VHDL实现整个系统，设计人员可以使用并行处理技术实现高速信号处理算法，仅使用单个处理器就可以通过模块化设计实现所需性能，从而很好地解决了这一矛盾。趋势：随着便携式设备需求的增加，FPGA的低电压、低功耗要求越来越迫切，芯片正在接近大规模系统芯片，努力在大规模应用中取代ASIC，正在增强市场竞争力，主要工厂企业积极宣传自己的知识资产和核心库，动态类重组技术的发展将带来系统设计方式的变化2。A/D转换器用于通过特定电路将模拟数字转换为数字量。模拟器可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但是，在A/D转换之前，作为A/D转换器输入的输入信号必须通

7、过各种传感器将各种物理量转换为电压信号。A/D转换器工作原理：连续逼近法、二重积分法、电压频率转换法。A/D转换步骤4:采样、维护、量化、编码。1.2现场可编程门阵列现场可编程门阵列(FPGA)，这是基于PAL、GAL、CPLD等可编程设备进一步开发的输出。作为专用集成电路(ASIC)领域的半自定义电路出现，解决了自定义电路的不足，克服了原始可编程设备门电路数量的限制。以硬件描述语言(Verilog或VHDL)完成的电路设计经过简单的综合和部署，可以快速刻录到FPGA中进行测试，并且是最新IC设计验证技术的主流。这些可编辑图元可用于实现某些基本逻辑浇口回路(例如AND、OR、XOR、NOT)或

8、实现更复杂的组合功能(例如解码器或数学方程式)。在大多数FPGA中，这些可编辑组件还包括内存组件，如触发器(Flip-flop)或其它更完整的内存块。系统设计者可以通过可编辑连接连接FPGA内部的逻辑块，就像电路测试板嵌入在芯片中一样。成品FPGA的逻辑块和连接可以因设计者而异，因此FPGA可以执行所需的逻辑功能。FPGA是由三部分组成的逻辑单元阵列逻辑单元阵列逻辑单元(LCA):逻辑模块可配置逻辑块(CLB)、输出输入模块输入输出块(IOB)和内部连接(Interconnect)现场可编程门阵列(FPGA)是与传统逻辑和门阵列(如PAL、GAL和CPLD设备)相比具有不同体系结构的可编程设备

9、。FPGA构成了基本逻辑单元模块，其中每个查找表连接到d触发器的输入端，触发其他逻辑电路，或使用驱动I/O的161小块表(RAM)来连接到一起，或使用金属连接连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过将编程数据加载到内部静态存储单元来实现的。存储在内存单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能与模块之间或模块与I/O之间的连接方式，最终决定了FPGA可以实现的功能，FPGA允许无限制编程。FPGA具有以下特点：1 .使用FPGA设计ASIC电路，用户无需芯片生产即可获得联合芯片。2.FPGA可以创建任何其他自定义或半自定义ASIC电路的试点示例。3.FPGA内部有丰富的触发器和I/O针脚。4.FPGA是A

10、SIC电路中设计周期最短、开发成本最低、风险最低的设备之一。5.FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，并与CMOS、TTL级别兼容。打开电源后，FPGA芯片将EPROM中的数据读取到片上编程RAM中，配置完成后，FPGA进入运行状态。断电后，FPGA恢复为白色片，内部逻辑关系消失，因此可以再次使用FPGA。FPGA程式设计不是专用的FPGA程式设计人员，只需要一般EPROM、PROM程式设计人员。需要修改FPGA功能时，只需更改一个EPROM。这允许相同的FPGA、不同的编程数据生成不同的回路功能。因此，FPGA的使用非常灵活，非常适合数据收集方向应用程序。1.3制定主题和执行本白皮书的主要任务包括：1完成ADC收集系统的硬件构建和模拟任务；2.使用Verilog语言创建硬件回路接口驱动程序，并完成Verilog HDL程序的仿真。完成项目的性能指标设计。第二章Altium Designer和Quartus II简介2.1 Altium Designer简介Altium Designer是最初的Protel软件