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1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于FPGA的多路信号采集器设计学生姓名：学 号：0605112306专 业：测控技术与仪器班 级：测控2006-3班指导教师：基于FPGA的多路信号采器设计摘 要信号采集器是信号和和控制器之间枢纽，采集信号质量的高低，速度的快慢将严重影响到控制质量。然而，自然中的信号各种各样，环境复杂，并且控制器对信号的要求亦各不相同，这些都使得信号采集一直以来都是技术难点。本文试图设计一种多路的基于FPGA的信号采集器。与传统的数据采集器以单片机或DSP作为控制器相比，FPGA具有集成度高、逻辑实现能力强、速度快、设计灵活性好等众多优点，尤其在并行信号
2、处理能力方面比DSP更具优势。在信号处理领域，经常需要对多路信号进行采集和实时处理，这亦是本文的目标。本文首先介绍了信号采集技术的最新动态，然后比较传统的器件提出系统的总体方案设计。在硬件方面，介绍了传感器、测量通道、FPGA芯片的结构原理和性能。数据处理的软件设计以Quartus为软件平台，采用VHDL作为编程语言和自顶向下的设计思想。本设计大部功能通过软件仿真得到了方案要求的结果，其中数字通道在实际电路中得到了验证。 关键词：多路信号采集；FPGA；A/D转换；VHDLThe Design of Muti-channel Signal Collector based on FPGAAbst
3、ractSignal acquisition is the hub between the signal and the controller, The quality of the signal collected and the speed will seriously affect the quality control.But, there are various signal in nature, complex environment, and demanding control of the signal varies, All makes signal acquisition
4、has been the technical difficulties.This paper attempts to design a multi、FPGA-based signal acquisition device. With traditional data acquisition system to a microcontroller or DSP as a controller, FPGA has high integration, the strong ability to achieve logic,fast and good design flexibility and so
5、 on. Especially in the parallel signal processing advantages than the DSP. In signal processing, often require multiple signal acquisition and real-time processing, this is also the goal of this articleFirst, this paper introduces the latest data acquisition technology, then make the device more tra
6、ditional design of the overall system. In terms of hardware, introduced the principle and performance of the structure of sensor, measuring channel, FPGA chip. Data processing design for the software platform Quartus,Use of VHDL as a programming language and top-down design.Most functions in the sof
7、tware simulation program requirements on the results obtained, digital channels in the actual circuit which has been verified.Key words: multi-channel signal acquisition；FPGA；A/D converter；VHDL目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 引言11.1 系统设计背景11.1.1 研究目的和意义11.1.2 国内外研究现状21.2 系统工作原理31.3 课题任务31.4 论文安排4第2章 多路信号采
8、集器的总体设计52.1 系统总体方案52.1.1 系统分析52.1.2 理论知识62.2 系统结构框图7第3章 硬件设计93.1 控制器93.1.1 FPGA结构原理93.1.2 Altera公司的FLEX10K103.2 传感器113.2.1 传感器的分类113.2.2 传感器的选用原则123.2.3 传感器选型143.3 测量通道183.3.1 测量通道的选择183.3.2 调理电路193.3.3多路模拟开关203.3.4 采样保持器213.3.5 A/D转换模块223.4 显示模块233.4.1 LCD1602简介243.4.2 LCD1602主要技术参数和引脚243.5 UART通信模
9、块253.6 时钟电路27第4章 软件设计284.1 编程语言VHDL284.1.1 VHDL简介284.1.2 开发软件Quartus294.2 程序设计304.2.1 系统总程序304.2.2 CD4051地址译码程序314.2.2 TLC5510转换程序314.2.3 LCD1602显示程序324.2.4 读DS18B20温度传感器344.2.5 与PC机通信程序35第5章 调试及总结385.1 系统调试385.2 总结39参考文献41附录 A 系统电路原理图43附录 B 模拟开关控制程序44附录 C 26分频程序46附录 D UART通信程序47致 谢48第1章 引言1.1 系统设计背
10、景1.1.1 研究目的和意义（1）数据采集系统是计算机测控系统中不可或缺的组成部分，是影响测控系统的精度等性能指标的关键因素之一，常用数据采集方案是以微处理器为核心控制多个通道的信号采集、预处理、存储和传输，即用软件实现数据的采集，这在一定程度上局限了数据采集的速度、效率及时序的精确控制。20世纪80年代起步的FPGA(Field Programmable Gate Array)，现场可编程门阵列)技术近年来发展非常迅速，并广泛应用于通信、自动控制、仪器仪表、信息处理等诸多领域1。现在的FPGA器件具有高集成度、高时钟频率、时序控制精确、编程灵活等明显优于普通微处理器的特点，因此系统如果采用F
11、PGA为核心控制ADC和数据传输，这样可达到预期要求，并简化外围电路，降低设计风险，缩短开发周期2。FPGA的出现是超大规模集成电路（VLSI）技术和计算机辅助设计（CAD）技术飞速发展的结果。FPGA器件集成度高、体积小，具有用户可编程实现专门应用的功能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和验证，实现预期的结果。况且FPGA是近几年集成电路中发展最快的产品。随着可编程逻辑器件的高速发展，可编程逻辑器件将进一步扩大其领地。据IC Insights的数据显示，可编程逻辑器件市场从1999年的29亿美元增长到2004的56亿美元，几乎翻了一番。可编程逻辑器件将继续向
12、着更高密度和更大容量方向迈进1。（2）与传统的数据采集器采用的是基于单片机或者DSP作为控制器， FPGA在抗干扰和速度上有很大优势。其特点如下： 1、FPGA运行速度快。FPGA内部集成锁项环，可以把外部时钟倍频，核心频率调到到几百MHz，而单片机运行速度低的多，尤其在高速场合，单片机无法代替FPGA。2、FPGA管脚多，容易实现大规模系统。单片机I/O口有限，而FPGA动辄数百I/O，可以方便连接外设。比如一个系统有多路ADC，单片机要进行仔细的资源分配，总线隔离，而FPGA由于丰富的I/O资源，可以很容易用不同I/O连接各外设。3、FPGA内部程序并行运行，有处理更复杂功能的能力。单片机
13、程序是串行执行的，执行完一条才能执行下一条，在处理突发事件时只能调用有限的中断资源，而FPGA不同逻辑可以并行执行，可以同时处理不同的任务，这就使得FPGA工作更有效率。4、FPGA有大量软核，可以方便进行二次开发。FPGA甚至包含单片机和DSP软核，并且I/O数仅受FPGA自身I/O限制，所以，FPGA又是单片机和DSP的超集，也就是说，单片机和DSP能实现的功能，FPGA一般都能实现。综上所述，基于FPGA的研究将会是继单片机后的又一个巨大产业，自然以FPGA作为处理器也将会有广阔的前景和重要意义。所以借做多路数据采集器的系统设计的机会，选择FPGA作为控制器，并借此机会来系统地学习、学好
14、FPGA。1.1.2 国内外研究现状对于信号采集器，在外围硬件电路上已经有了非常经典的且固定方案。然而近年来，其控制芯片由原来的单片机发展到数字处理芯片DSP，嵌入式芯片等速度更高功能更强的芯片。在高性能数据采集系统中,通常采用单片机或DSP（数字信号处理器）作为控制器，控制A/D（模数转换器）、存储器和其他外围电路的工作。然而相对高速且性能能良好的FPGA，则无论是单片机或是DSP都有一些不足。首先，单片机的时钟频率偏低，各种功能都要靠软件的运行来实现，软件的运行时间在整个的采样时间中占有很大的比重，因而效率偏低，难以满足高速数据采集系统的要求。而DSP的运算速度快，擅长处理密集的乘加运算，
15、但完成对外围的复杂硬件逻辑控制难度很大。以软件方式控制操作和运算的系统速度显然无法与纯硬件系统相比，因为软件是通过顺序执行指令的方式来完成控制和运算步骤的，而用HDL语言描述的系统以并行方式工作的。以对A/D进行数据采样控制为例，采样周期包括对A/D工作时序的控制和将每一次获得的数据存入RAM(或FIFO)中。工作于12MHz晶振频率的MCS-51系列单片机对A/D控制的采样频率为20KHz上下，即约每秒两万次。但若用FPGA中设计的状态机来完成同样的工作，如对于具有流水线采样工作时序的A/D来说，只需两个状态即可完成一次采样，状态间转换的时间仅为一个时钟周期，而如果FPGA的工作频率是100MHz，则采样频率可达50MHz。这在算法方面同样具有巨大的优势。用FPGA实现32阶8位FIR滤波器的处理速度为105MSPS时，用DSP芯片实现的滤波器要达到相当速度，则需要指令执行速度为3360MIPS。然而目前还没有如此高速的单处理器的DSP芯片。由此可见，在一些DSP芯片不能满足数字信号处理要求的场合，可以采用FPGA来
