毕业论文
基于FPGA通用数据采集测试系统的设计
1 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
随着科学技术的迅猛发展，新技术革命将把人类由工业化社会推进到信息化社 储为主要内容的数据采集测试技术，已形成了一门专门的技术科学。
数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要分支，它不仅应用在智能仪器中，而且在现代工业生产、国防军事及科学研究等方面都得到广泛应用，无论是过程控制、状态监测，还是故障诊断、质量检测，都离不开数据采集系统[1]。
数据采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换为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，得出所需要的数据。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，其中的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。
存储测试系统是一种数据采集系统(DAS)，包括数据采集记录硬件和计算机数据分析处理软件；一般情况下，将信息量化采集后先存入系统中的数据存储器，等任务执行完后再进行事后的数据读取和分析；数据采集记录硬件部分在工作完成后进行回收，以便进行数据回读。
[2]
一个大型的数据采集系统由以下几个部分组成：数据采集、数据传输、数据存储、数据处理、分析和显示等。数据采集技术的发展离不开传感器和计算机控制技术。网络化测量、采集和控制是其发展的必然趋势。数据采集几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医药器械、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。
目前，数据采集测试技术已经在许多重大武器型号的研究、研制、生产、验收和使用中得到成功应用，并取得了一系列重要科研成果。在航空、航天、机械、电子等多个领域，解决了过去无法解决的重大测试难题，显示出了突出的优越性。
1.2 课题的研究现状及发展前景
近几年，Internet网络飞速发展，各式各样的网概念个技术不断涌现，如电子商务（B2B、B2C等）、对等网络（P2P）、Net、移动电子商务、无所不在的电子计算等等，他们改变着人们的生活和工作，同时也深刻的影响着工业领域内的各种采集、控制、监控系统的结构和功能。数据采集系统（Date Acquisition System,简称DAS）目前在工业领域应用非常广泛，在工业领域存在大量远程数据采集系统，这些系统支持着工业领域，如电力、军事、通信等各种生产的正常运行。具体应用如水、电、煤气调度SCADA系统，电力变电站综合自动化系统等。在这些数据采集系统中访问装置数据源是必须的功能，数据采集系统是工业控制和监控系统的核心和基础。
数据采集技术是存储测试技术的一个重要组成部分，是以传感器、信号测量与处理、计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术。它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等作业，具有很强的使用性。目前，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[3]。 1.3 课题的提出与要求
现在，以PC作为平台发展的数据采集系统已成为当前数据采集技术的重要发展方向。国外很多公司与厂商都投入巨资进行数据采集系统的研制开发与生产销售，其中比较著名的有NEFF、IOTECH、NI、HP、TEK、ZONIC和VMIC等。他们不断推出各种性能优异、种类齐全的产品。现在应用比较广泛的有这么几类采集系统，ISA数据采集系统、PCI数据采集系统、SCXI数据采集系统、便携式数据
采集系统以及USB数据采集系统。
目前，虽然市场上有很多不同类型的数据采集产品，但这类产品还存在诸如功能单一、通用性差、操作复杂，并且对测试环境要求较高等问题，这些都限制了其具体应用的范围，这也迫使我们必须从实际出发，设计一套高速的、较为通用的系统，本课题正是基于这一背景下提出来的。
本课题的主要目的就是，设计一个数据采集测试系统，对被测参数进行实时数据采集、存储。该系统完成以下几种信号的采集：
1．六十四路模拟信号，电压范围0～5V 2．八路无源开关量信号。
3．一路数字脉冲信号，信号形式为TTL电平信号或低电平0V、高电平12V的脉冲信号。
1.4 整体设计方案
根据被测参数要求，提出系统整体设计方案，其系统框图如图1. 1所示。
中 心 控 制 模 块 模拟量采集模块 存储器 数字量采集模块 接口电路 开关量采集模块 PC机
图 1.1 整体设计方案
整个系统由信号采集模块、存储器模块、中心控制模块、接口电路以及其他
的外围辅助电路组成。
信号采集模块是存储测试中的重要环节，关系着获取信息的质量和采集测试
的精度。模拟信号的采集电路通常由跟随器、模拟开关、A/D转换器、缓冲器等部分组成。被采集的信号经A/D转换成数字信号后存入存储器。电路的整个时序由逻辑控制模块协调控制。数字量和开关量的采集电路同样是在主控制模块的控
制下进行的。
主控制模块由FPGA及其外围电路组成。FPGA是控制模块的核心部分。主要完
成A/D转换器的时钟选取、数据的存储计算以及相应的控制逻辑、实现与PC机的通信等控制任务。
微型计算机与I/O设备的接口按照传输数据方式的不同，可分为并行接口
和串行口两种。前者使传输数据的各位同时在总线上传输，后者则使数据一位一位的传输。并行传输又有字并行和字节并行之分，并行接口一般实现的是字节并行传输。本课题采用并口传输方式。
存储器模块在系统中主要完成数字信息的存储。
2 系统硬件设计
2.1 系统的整体结构
系统的整体结构如图2.1所示：
64路模拟信号 1 路 数字信号 8 路开关信号 电压跟随器 模拟开关 A/D 转换器 FPGA 中 心 控 制 电 路 存 储 器 电平转换 隔离电路 驱动电路 接口电路 PC 机
图 2.1 系统的整体结构图
2.2 模拟信号采集通道的设计
存储测试系统常常需要多通道同时采集。在此情况下，若是在每个通道都设置一套模拟传输及量化器，是不经济的，有时也是不必要的，特别在有限的体积内有时甚至是不可能的，因此，本系统要根据被测信号的特点与测试要求，模拟信号采集通道采用多路转换器，用最简单的硬件电路完成多路信号的存储测试。模拟信号采集通道的框图如图2.2所示：
64路 模拟 信号 缓冲器 模拟 开关 A/D 转换器 图 2.2 模拟信号采集通道图
在本系统中，模拟输入信号的电压范围是0～5V。本课题采用LM324运算放大器作为电压跟随器，用来稳定输入信号，增加AD9221的输入阻抗。 LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
在本系统中，考虑到模拟输入信号有64路，所以采用模拟开关来实现数据的传输是很有必要的。 2.3 数字信号采集通道的设计
1路数字信号，由于输入是TTL电平信号或低电平0V、高电平12V的脉冲信号。所以数字信号必须经过电平调整处理，才能够存入存储器（存储器输入电压为3.3V，后面会有介绍）。下面是一个调压电路:
D1是一个3.3V的稳压管，如果输入电压大于3.3V，则将AS1输出电压钳制在3.3V，起到了调压的作用。如果是低于3.3V，那么电压将不改变。
图2.3 调压电路
2.4 开关量采集通道的设计