基于FPGA的高速数据采集系统设计
摘要：基于可编程逻辑器件FPGA和USB2.0芯片CY7C68013为核心的高速采集系统，设计了在FPGA的控制下，USB接口模块、AD转换模块等协同工作下对输入信号的数据采集系统。介绍了从硬件和软件两个方面来设计数据高速采集系统，重点说明了硬件设计的原理、固件程序的设计思想、应用程序的设计、固件下载驱动程序的开发，USB控制器CY7C68013的特性，通过VHDL语言设计对USB控制器的访问控制操作、USB控制器固件程序设计、USB驱动程序设计。该系统可以实现对信号的高速采集，并通过USB总线与上位机通信，实现在Labview控制界面下进行显示以及数据的存储，这种基于FPGA的同步采集、实时读取采集数据的设计充分发挥了FPGA和USB的优点，提高系统采集和传输速度。 关键词：FPGA；USB2.0；高速采集；Labview
High Speed Data Acquisition System Design
Base on FPGA
Abstract: Take the logical component FPGA, USB2.0 chip and CY7C68013 as cores.This system realize the high speed acquisition of input signal with the cooperation work of FPGA controller, USB connector and AD converter. Introducing from two aspects of hardware and software ,the design of high speed data acquisition System focuses on the principle of hardware design, the firmware program design, application design, development of firmware download driver, USB controller CY7C68013 characteristics realize the control of visit of USB controller and the design of USB controller firmware program and USB driver.By means of USB bus and Upper Computer, the display and store of data can be achieved under the Labview control interface. The design of synchronous acquisition and real-time read give full play to the advantages of FPGA and USB, improving the speed of acquisition and transmission.
KEYWORD: FPGA; USB2.0; Speed Acquisition ; Labview
目 录
第一章 概述…………………………………………………………………………1
1.1项目背景及研究意义………………………………………………………1 1.2国内外研究现状……………………………………………………………1 第二章 总体方案设计………………………………………………………………2
2.1硬件总体方案设计…………………………………………………………2 2.2软件总体方案设计…………………………………………………………2 2.2.1 FPGA程序流程图………………………………………………………2 2.2.2 USB芯片程序流程图…………………………………………………2 2.2.3 LABVIEW程序流程图…………………………………………………3 第三章 硬件设计……………………………………………………………………4
3.1 硬件原理设计………………………………………………………………4 3.2 芯片的选择…………………………………………………………………5 3.2.1 FPGA的选择……………………………………………………………5 3.2.2 USB芯片选择…………………………………………………………5 3.2.3 A/D的选择……………………………………………………………5 3.3硬件电路设计………………………………………………………………6 3.3.1 USB芯片外围电路设计………………………………………………6 3.3.2 CPLD电路设计…………………………………………………………7 3.3.3 AD电路设计……………………………………………………………7 第四章 软件设计……………………………………………………………………8
4.1 FPGA程序设计………………………………………………………………8 4.2 USB固件程序设计…………………………………………………………10 4.3上位机程序设计……………………………………………………………12 第五章 系统调试……………………………………………………………………14 第六章 设计总结……………………………………………………………………17 附 录………………………………………………………………………………… 附录Ⅰ Protel原理图…………………………………………………………… 附录Ⅱ FPGA顶层图………………………………………………………………
第一章 概 述
1.1 项目背景及研究意义
随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制和科学研究中已成为必不可少的部分，数据采集系统中主要关注的是精度和采样率的问题。传统的数据采集系统往往采用单片机作为控制器，控制模／数转换(ADC)、存储器和其他外围电路的工作。但由于单片机时钟频率低而且各种功能需要靠软件来实现，很难满足对数据的高速采集的要求。于是高速及超高速数据采集系统产生并得到了快速的发展，基于FPGA和USB2.0的数据采集方案，提高了系统采集和传输速度并实现了高可靠性、多点的数据采集。
研究意义：目前，随着微电子技术的发展，电子自动化设计工具的普及，大规模可编程逻辑器件也越来越得到广泛的实际应用。可编程逻辑器件不仅使系统趋于小型化、集成化和高可靠性，而且具有用户可编程特性，这些优点将缩短系统设计周期，减小设计成本，降低设计风险。不仅如此，部分器件除具有用户可编程能力外，还具有简单的在线可编程能力。其中FPGA编程则显得更加灵活，比如，一片FPGA芯片就可替代几片甚至几十片标准器件，其用户可用I／0引脚数目多达数百条。一片FPGA就可以实现逻辑功能十分复杂的逻辑部件甚至一个小型数字系统。如果将FPGA引入到数据采集系统中，无疑会使系统的体积更加小巧，其性能更加优越。因此，具有一定的现实意义。 1.2 国内外研究现状及发展前景
国内数据采集器的现况上世纪08年代末到09年初，我国一些仪器厂已研制出了多种数据采集器，其中单通道的有SP201，SC247型，双通道的有EG3300，YE5938型，超小型的有911,902和921型.具有采集静态信号的有SMC一9012型，所配套的软件包基本上包括了设备维修管理和基本频谱分析两大部分，能够适应机器设备的一般状况监测和故障诊断，基本上己经达到了国外数据采集器的初期水平。但是，国内数据采集器与目前国外数据采集器相比，在技术上仍然存在着一定差距。
主要表现：由于受国内振动等传感器水平的限制,分析频率范围不宽，给一些高速的机器或轴承的诊断等带来了一定的困难；由于数据采集器的内存不大，数据采集器本身的信号处理功能不强，在现场只能做一些简单诊断，精密诊断需要离线到计算机上去做，现场精密诊断功能较弱；设备的软件水平仍在设备维修管理和基本频谱分析上徘徊，机器故障诊断专家系统还需完善，软件人机界面有待改进。数据采集是整个工厂自动化的最前端，测试精度、速度与实现该功能的成本是几个重要因素，数据采集也正朝着这几个方向发展。高速、实时数据采集在运动控制、爆炸检测、医疗设备、快速生产过程(如石油化工过程)和变电站自动化等领域都有非常重要的应用。这些行业中，对高速数据采集的需求远远超过目前实际可以实现的程度。用户的需求促进了技术的发展和新产品的出现，因此，高速数据采集仍然会有长足的发展。
发展前景: 数据采集技术已广泛应用于工业控制系统、数据采集系统、测自动试系统、智能仪器仪表、遥感遥测、通讯设备、机器人、高档家电等方面。可以预见，随着大规模集成电路技术与计算机技术的发展，数据采集技术将在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、无损监测、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程众多领域发挥更大的作用。特别是计算机的发展，网络化可以更好地协调工作，增强系统的可靠性，势必推动数据采集在更加广阔的领域应用。
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基于FPGA高速数据采集系统(终)
