高速同步数据采集系统的设计论文
在电气设备监测和微弱电信号测量中，需要对相关信号或微弱信号同步测量，以便分析信号间的相关信息得出正确的分析或控制策略。这些相关信号或是微弱电信号的分析处理，都需要大数据量的，并具有良好同步性的高性能数据采集系统为其服务。本文设计的双通道高速同步数据采集系统采用高精度ADC实现模拟信号的高精度采集；运用FPGA将同步采集后的数据存储至SRAM中；采用USB2．0总线与PC机实现数字信号的传输；利用LabVIEW的强大数据处理能力较好的实现数据分析。
1系统整体方案
双通道高速同步数据采集系统的总体设计构成如图1所示。该系统主要由以下各模块组成：ADC信号采集模块、FPGA控制模块和LabVIEW上位机数据处理模块。其基本工作原理为：FPGA通过高性能ADC同步采集控制，实现双通道高速同步采集，并缓冲整理数据至SRAM中；USB经由FPGA控制读取SRAM中数据并发送至PC中；LabVIEW实现数据运算，实现完整的信号分析过程。系统从软硬件两方面进行协调设计保证了整体设计的可靠性和实时性。
2系统的硬件设计
2．1FPGA控制模块本设计采用Altera公司的EP4C22F来实现数据采集系统的硬件逻辑控制。该芯片有着近74kB的总RAM存储空间和多达153可分配I／O管脚，为本系统搭建提供了便利。本系统中的逻辑控制主要分为：AD采样时序控制、数据的SRAM缓冲存储和CY7C68013发送控制。FPGA控制模块如图2所示。2．2A／D转换电路的设计作为采集系统的最前端，A／D转换器对整个系统的精度起到了决定性的作用。本系统采用AnalogDevicesInc（ADI）公司的A／D转换芯片AD7903，构建双通道高速同步数据采集系统的采集平台。AD7903作为一款双通道16bit的逐次逼近型模数转换器（ADC），具有1MSPS的转换速率。该芯片内部集成有两个16－bit的高速ADC和一个多功能串行端口接口（SPI），其SPI兼容串行接口可实现多个ADC在菊花链工作模式下连结到单个三线式总线上。基准电压（VREF）由独立于电源电压的外部基准设定。因此，AD7903在通信系统、数据采集、医疗仪器等领域中得到了广泛应用。为了减小开发难度、缩短研发时间，选取AD7903工作在CS模式（三线式接口且无繁忙指示）下。该模式可极大地优化编程难度，同时也可以保证数据精度。2．3USB传输接口硬件设计本系统采用CYPRESS公司的USB2．0控制器CY7C68013实现数据的.高速传输。CY7C68013为一款集成了USB2．0收发器的微控制器，其内部集成了USB2．0收发器、增强型8051内核、串行接口引擎SIE、可编程I／O接口以及FIFO等功能组件。其4KB的FIFO存储器设计专用于实现数据的高速传输。芯片的硬件接口模式有端口模式、SlaveFIFO模式和GPIF模式，本系统采用SlaveFIFO模式。在SlaveFIFO模式下，片内FIFO的读写控制与普通FIFO控制方式一致，保证了数据的高速传输。USB数据传输的高速，大数据量传输特性便于LabVIEW对数字信号的运算处理。
3系统的软件设计
3．1A／D采样时序在CS模式（三线式接口且无繁忙指示）下，CNVx上升沿触发采样转换，输出管脚SDOx强制输出高阻态。在单次转换过程中，时序变化无效，CNVx维持高电平至转换完成，此后AD7903进入数据采样输出阶段并处于关断状态。在采样数据输出阶段中，CNVx保持低电平，SDOx自动输出MSB。以完成转换后的CNVx下降沿为触发信号，在SCKx下降沿逐个输出数据。完成单次的数据输出后，CNVx变为高电平时SDOx重新返回高阻态。3．2SRAM存储控制SRAM数据缓冲模块，旨在与匹配A／D低速的采样数据流和USB的高速传输特性，实现采样数据的缓存和传输。同时，FPGA内部RAM资源的有限性，更加突出SRAM数据缓冲模块的必要性。系统选用ISSI公司的IS64LV25616A，具有低功耗、控制简单和能够实现高速读写等特点。为了实现系统实时性的要求，选用2片SRAM交替读写。控制信号确保在采集过程中写入和读出数据操作独立，其中一个处于写满状态时，数据输出至USB，新采集数据存入另一片。由此反复，构成一个高速FIFO，从而实现采集数据的不间断读写。SRAM控制流程如图4所示。3．3USB控制模块设计在EZ－USB处于SlaveFIFO模式时，芯片摆脱其内部单片机的控制，仅受外部FPGA逻辑电路控制。图给出了FPGA控制SlaveFIFO逻辑状态机制，其描述如图5所示。启动：空闲，等待写时间，跳转状态1；状态1：激活FIFOADR，跳转至状态2；状态2：判断FIFO满标志FLAGB管脚电平，若“假”则跳转状态3，否则等待；状态3：驱动数据至总线，进行数据传输，后跳转至状态4；状态4：判断FIFO空标志FLAGA管脚电平，若“假”则跳转状态2，否则转向启动。USB固件程序为EZ－USB芯片CY7C68013的控制程序，可通过其设定芯片的传输方式、PID／VID、缓冲区大小、数据宽度等相关参数。固件程序的下载一般有两种方法：①将程序存储至片外EEPROM；②一个可自动固件加载以及设备重枚举功能的驱动程序。考虑到硬件资源优化和设备的可移植性，系统选择固件程序来完成初始化及其他操作。USB主机通过检测USB接口管脚D＋、D－电压判断USB设备是否连接。在USB设备连接至USB主机，主机对其上电复位，并配置USB设备地址。主机通过发送读取描述符请求（GetDescription）请求获得USB控制传输字节数，USB固件等待令牌包并处理相应命令。完成后，主机对USB设备进入枚举过程。主机循环向USB设备发出读取描述符请求（GetDescription）请求，读取所有描述符获得USB配置信息。主机根据设备VID及PID选择合适驱动加载。之后主机发送请求为USB设备选择配置，枚举结束。为了便于控制，USB主机重新加载自定义固件程序，USB设备进行重枚举。USB设备与上位机PC的连接中，LabVIEW提供了众多简便的硬件接口驱动。即使是复杂的USB接口协议，NI－VISA仍提供了完备的USB设备的硬件驱动程序。通过NI－VISA软件，可更好的完成系统搭建，缩短开发时间。创建USB设备的驱动步骤如下：1）打开NI－VISADriverWizard，选择USB硬件总线；2）填写USB设备基本信息对话框，如：VID／PID，制造商等；3）填写输出文件文件名及保存路径；4）将新生成的文件安装在本地计算机；5）完成USB驱动程序安装，在设备管理器中便可看到完成安装后的USB设备。至此，整个USB设备在LabVIEW中完成驱动设备的安装，可自由实现数据读写。3．4上位机LabVIEW软件设计系统调用针对信号与系统分析的相关函数，实现被采信号的数据存储、图形显示和傅里叶变化。LabVIEW程序前面板如图6所示：图6采集程序界面
4结束语
文章较完整地介绍了双通道同步数据采集系统的组成。采用转换性能优越，高精度的AD7903，配合USB高速传输特性和LabVIEW的多类型硬件接口的适配性和数据处理功能，构建具有强大数据处理功能的采集系统。根据文中所设计采集系统，用户可扩展至多通道采集系统或多时钟采集系统，实现更加灵活应用的目的。
参考文献
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