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1、目 录1.绪论 .11.1 课题研究的意义 .11.2 数据采集技术的发展历程和现状 .11.3 本文的研究内容 .21.4 系统设计涉及的理论分析 .22.系统设计 .42.1 方案选择 .42.2 系统框图 .53.单元电路设计 .63.1 信号调理电路 .63.2 高速模块 .73.3 FPGA 模块设计 .83.4MCU 模块设计 .83.5 数据采集通道总体原理图 .93.6 硬件电路总体设计 .94.软件设计 .104.1 信号采集与存储控制电路工作原理 .104.2 信号采集与存储控制电路的 FPGA 实现 .114.3 原理图中的各底层模块采用 VHDL 语言编写 .124.3
2、.1 三态缓冲器模块 TS8.124.3.2 分频器模块 fredivid.134.3.3 地址锁存器模块 dlatch8.144.3.4 地址计数器模块 addrcount.154.3.5 双口 RAM 模块 lpm_ram_dp.164.4 数据显示模块设计 .184.4.1 主程序 .184.4.2 INT0 中断服务程序 .194.4.3 INT1 中断服务程序 .194.5 软件仿真 .204.5.1 三态缓冲器模块 TS8.204.5.2 分频器模块 fredivid.204.5.3 地址锁存器模块 dlatch8.214.5.4 地址计数器模块 addrcount.215.系统调
3、试 .215.1 单片机子系统调试 .215.2 FPGA 子系统调试 .225.3 高速 A/D 模块的调试 .226 总结 .22致谢 .22参考文献 .23附录 .25 1高速数据采集系统设计摘要：随着数字技术的飞速发展，高速数据采集系 统也迅速地得到了广泛的 应用。在生 产过程中，应用这一系统可以对生产现场的工艺参数进行采集、 监视 和记录， 为提高生产质量，降低成本提供了信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可以获取大量的动态数据，是研究瞬间物理过程的有力工具，为科学活动提供了重要的手段。而当前我国 对高速数据采集系 统的研究开发都处于起步阶段，因此，开发出高速数据采集系 统就显
4、得尤为重要了。本文 针对 高速数据采集系统中的实时性、采集速率等问题提出了一种结合FPGA与单片机的低成本高速数据采集系统设计方案。该系统以高速SOC单片机C8051F360 和FPGA EP2C8T144为核心，运用模 块化 设计方法， 实现软硬件设计，具有一定的实用价值。关键词:C8051F360；EP2C8T144;ADC；数据采集；高速1.绪论1.1课题研究的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中已成为必不可少的。这就为我们的设计提出了两个方面的要求：一方面，要求接口简单灵活且有较高的数据传输率；另一方面，由于数据量通常都较大，要求主机能够对实时数据做出快
5、速响应，并及时进行分析和处理。FPGA 与单片机相比，有着频率高，内部延时小，内部存储容量大等优点，比单片机更适应与高速数据采集的场合。比如在某些高冲击、高振荡场合下，需要对冲击过程的加速度数据进行回收，包括实时采集、存储以及事后回读分析。在这样的环境下，要求数据回收系统具有采集的高速、实时性；存储的及时、正确性。FPGA（现场可编程逻辑门阵列）在高速数据采集方面具有单片机和 DSP 所不具备的优点。FPGA 所要完成的功能完全由内部可编程硬件电路实现，具有并行执行、速度快、多功能、低功耗、可现场反复编程等特点。使用 FPGA 构成数据采集系统还可以减化外围控制电路，使系统更加简洁有效。1.2
6、数据采集技术的发展历程和现状在数字技术日新月异的今天，数据采集技术的重要性是十分显著的。它是数字世界和外部物理世界连接的桥梁。而随着现代工业和科学技术的发展，对数据采集技术的要求日益提高，在雷达、声纳、图像处理、语音识别、通信、信号测试等科研实践领域中，都需要高精度，高数据率的数据采集系统。它的关键技术为高速高精度的ADC技术，高数据率的存储和缓存技术以及系统高可靠性保证等。通过数据采集技术，科研人员在实验现场可以根据需要实时记录原始数据，用于实验室后期的分析和处理，对工程实践和理论分析探索具有重大意义。正是由于目前数据采集技术广泛应用在科研实践和工业生产中的各个领域，当前国外对采集技术的研究
7、和发展比较成熟。按通道数分有单通道的、双通道的、多通道的(多达上百通道)；按采样率分可从 2几kHz到高达几个GHz；按分辨率分有8位、10位、12位、14位还有16位。在一些高端的示波器，频谱仪等测试仪器中，其采样率可达几个GHz，甚至几十个GHz。而国内由于发展时间短，芯片技术等一些方面的限制，目前没有高水平的采集器出现。现在从高校到研究所到公司对采集器的需求越来越多，性能要求也越来越高。这种情况给我们研发和设计高速数据采集系统提供了很多机遇。1.3本文的研究内容设计一个高速数据采集系统，输入模拟信号为正弦信号，频率为200kHz，Vp-p 小于等于0.5V。每次数据采集以20MHz 的固
8、定采样频率连续采集128点数据，采集完毕以后，用LCD 模块回放显示采集信号波形。该系统具有实时采集、存储以及传输功能。（1）硬件设计：硬件部分包括 FPGA 最小系统电路、数据的实时采集电路、数据缓存部分以及与单片机通信接口部分电路等。（2）软件设计：通过编写程序，主要实现实时采集（A/D 采样）功能、数据缓存、与单片机进行通信等功能。（3）仿真结果及分析：主要是针对实时采集部分、数据缓存部分、与 PC 机通信部分进行时序仿真和功能仿真，根据仿真结果对设计进行分析。1.4系统设计涉及的理论分析1.4.1 采样理论根据奈奎斯特定理，在进行模拟数字信号的转换过程中，只有采样频率fs大于被采样信号
9、中最高频率fmax的2倍时，才能保证数字信号完整地保留了原始信号中的信息，实际应用中必须保证采样频率为信号最高频率的510倍。对于高频信号(f3MHz)，则必须达到10MHz以上的采样速率。1.4.2 模数转换(ADC)基本原理及常用 AD 转换技术模数转换器ADC用来把连续变化的模拟信号转换为一定格式的数字量。ADC转换器实际上就是一个编码器，输入的模拟量经过信号调理电路，抗混滤波电路进入AD转换电路，AD转换电路将模拟信号转换为数字信号送入数据处理系统。AD转换部分通常包括采样和保持，量化和编码两个部分组成。(1)采样和保持：由于被转换的电压是一个随时间不断地变换的模拟量，也就是，在各个不同的瞬间它的大小是不同的。同时，要把
