基于FPGA多通道同步数据采集系统设计

jacklong

ＰＬＤＣＰＬＤＦＰＧＡ应用

文章编号：１００８－０５７０（２００７）０９－２－０２１２－０２

中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００７年第２３卷第９－２期

基于ＦＰＧＡ多通道同步数据采集系统设计

ＤｅｓｉｇｎｏｆＭｕｌｔｉ－ＣｈａｎｎｅｌＳｙｎｃｈｒｏｎａｌＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＦＰＧＡ

（大连理工大学振动工程研究所）李艳军

郭正刚张志新马孝江

ＬＩＹＡＮＪＵＮＧＵＯＺＨＥＮＧＧＡＮＧＺＨＡＮＧＺＨＩＸＩＮＭＡＸＩＡＯＪＩＡＮＧ

摘要：结合数据采集在往复式压缩机在线监测系统中的应用，设计了以ＦＰＧＡ（现场可编程门阵列）为核心的逻辑控制模块的

多通道数据采集系统。整个采集系统可实现１６路最大工作频率为１００ｋＨｚ的模拟信号的采集。设计中采用了自顶向下的方法，将ＦＰＧＡ依据逻辑功能划分为几个模块，详细论述了各模块的设计方法。各逻辑模块设计使用ＶＨＤＬ语言，并在ＩＳＥ中完成软件设计和仿真。

关键词：ＦＰＧＡ；数据采集；同步；ＶＨＤＬ中图分类号：ＴＰ２７４文献标识码：Ａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｃｏｒｅｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅｏｆｔｈｅｓｙｅｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄａｐｐｌｉｅｄｏｎｔｈｅｓｔａｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ．Ｔｈｅｗｈｏｌｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃａｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔ１６－ｒｏｕｔｅａｎａｌｏｇｓｉｇｎａｌｓｗｉｔｈ１００ｋＨｚｏｆｍａｘｉｍａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｔｏｐ－ｄｏｗｎ，ＦＰＧＡｉｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｓｏｍｅｌｏｇｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍｏｄｕｌｅｓ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｅｖｅｒｙｍｏｄｕｌｅｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．ＴｈｅＶＨＤＬｌａｎｇｕａｇｅｉｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｌｏｇｉｃｍｏｄｕｌｅｓ．ＳｏｆｔｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｒｅｃｏｍｐｌｅｔｅｄｉｎｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｏｆＩＳＥ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ，ＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ＶＨＤＬ

１引言

数据采集在工业测控领域里有广泛的应用，它已成为计算机测控系统的一个重要的环节，尤其在设备故障监测系统中，由于各种设备的结构复杂，运动形式多种多样，发生故障的可能部位很难确定，因此我们需要从设备的各个部位来提取大量的、连续的数据作为设备状态的信息，以此来分析、判断设备是否存在故障，这就需要高速、高性能的数据采集系统来保证采集到的数据的实时性；同时，我们需要对同一设备的不同位置的信号进行同步采集，并借助一些手段来提取特征（例如绘制轴心轨迹图）以判断设备的运行状态。传统的数据采集系统设计中，通常采用单片机或ＤＳＰ作为主控制器来控制ＡＤＣ、存储器及其他相关的外围电路来工作。但是这些传统的设计中都存在着一些不足，单片机的时钟频率较低且通过软件编程来实现数据采集，难以实现高速、高性能、多通道数据采集系统的要求；ＤＳＰ虽然速度快，但是它更擅长处理复杂的数学运算，对于数采系统要求的简单高速的读写操作来说，是一种资源的浪费。而ＦＰＧＡ（现场可编程门阵列）在高速数据采集上具有更大的优点，ＦＰＧＡ体积小、功耗低、时钟频率高、内部延时小、全部控制逻辑由硬件完成，另外编程配置灵活、开发周期短、利用硬件描述语言来编程，可实现程序的并行执行、这将会大大提高系统的性能。

样，因此需要对各个部件的多个测点的模拟信号进行实时数据采集，同时还要对一些测点周围不同的位置的信号进行同步采集，这就对信号采集的同步性有严格的要求。

多通道的数据采集形式有以下几种：

①各通道模拟信号分别通过信号调理电路后，由多路开关

选择后送入１片高速ＡＤ转换器件，多路选择开关的切换由硬

件或软件控制，从而达到分别转换各通道采来的数据。这种方案所需器件少、硬件电路简单、系统结构小型化，但使用多路开关会带来一系列的信号失真问题，且不能实现信号的真实同步采集，这些问题对ＡＤ器件和多路开关都提出了较高的要求。

②各通道模拟信号分别通过信号调理电路后，送入各自对应的ＡＤ器件，由系统软、硬件控制各ＡＤ的同步采集。采用多片无差别ＡＤ芯片来实现各通道采样，与常用的模拟多路开关加单片高速ＡＤ芯片，保证了信号采集的同步性和实时性，避免

了使用多路开关带来的一系列问题如通道切换过程中尖峰电压的处理、开关导通电阻的影响以及高频采样时噪声的抑制等。

２系统总体方案

在往复式压缩机状态在线监测系统中，由于压缩机结构复杂、零部件多、运动形式各不相同，发生的故障也就会多种多李艳军：硕士生

国家自然科学基金项目：局域波法及其工程应用研究

图１数据采集系统总体框图

针对往复式压缩机在线监测系统对多路模拟信号采集的实时性和同步性的要求，提出了一种基于ＦＰＧＡ的多通道数据采集的新方案，采用ＦＰＧＡ＋ＡＲＭ相结合的设计，采集主控制逻辑用ＦＰＧＡ来实现，ＡＲＭ则用来实现采集数据的网络传输控制。

现场总线技术应用２００例》

（５０４７５１５５）

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