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1、 毕业论文（设计） 题目 基于FPGA的数据采集系统电路设计目录第一章 绪论31.1 引言31.2 EDA简介31.3 FPGA简介31.4 VHDL语言简介31.5 Quartus II简介41.6 数据采集技术简介4第二章 总体设计42.1 硬件设计42.1.1 线性电源模块42.1.2 数据采集模块62.1.3 数据输出模块82.1.4 按键控制模块102.2 软件设计112.2.1 ADCINT设计112.2.2 CNT10B设计122.2.3 RAM8设计122.2.4时钟控制设计122.2.5系统顶层设计13第三章 系统软硬件调试14结论15致谢15参考文献15英文翻译17附录一
2、线性电源、FPGA外围电路和FPGA最小系统连接口PCB18附录二 系统各模块VHDL程序19摘要论文介绍了基于FPGA的数据采集系统电路的工作原理和设计过程。根据数据采集技术原理，以Altera公司的EP2C8Q208C8N芯片为核心器件，通过ADC0809采集数据，并用DAC0832输出数据，在Quartus II平台上，通过VHDL语言编程完成数据采集系统电路的软件设计、编译、调试、仿真和下载，再与外围硬件电路相结合调试与设计，最终实现数据采集系统电路的完成。【关键词】FPGA Quartus II VHDL 数据采集第一章 绪论1.1 引言随着数字系统的发展，广泛应用于各种学科领域及日
3、常生活，微型计算机就是一个典型的数学系统。但是它只能对输入的数字信号进行处理，其输出信号也是数字信号。而在工业检测控制和生活中的许多物理量都是连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等,这些模拟量可以通过传感器或换能器变成与之对应的电压、电流或频率等电模拟量。为了实现数字系统对这些电模拟量进行检测、运算和控制，就需要一个模拟量与数字量之间的相互转换的过程。即常常需要将模拟量转换成数字量，简称为AD转换，完成这种转换的电路称为模数转换器，简称ADC。1.2 EDA简介EDA，即电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写。它融合了大规模集成电路制造急速、AS
4、IC测试和封装技术、FPGA/CPLD编程下载技术、自动测试技术、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）设计的设计概念，为现代电子理论和设计的实现和发展提供了可能性1。EDA技术是一种综合性学科，打破了软件和硬件见的壁垒，把计算机的软件技术与硬件技术、设计效率和产品性能结合在一起，它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向。 EDA技术一般包括以下内容：1.大规模可编程逻辑器件；2.硬件描述语言；3.软件开发工具；4.实验开发系统2。1.3 FPGA简介FPGA，即现场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Ar
5、ray）的缩写。它是一种集成度较高的器件，属于复杂PLD。FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点，在产品研发和开发中具有很大的优势。用FPGA做一些协议实现和逻辑控制，如果协议理解错误或者逻辑需要更改，不需要动PCB。另外，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。本设计用的是Altera公司的EP2C8Q208C8N芯片，里面有68416个逻辑单元，并提供了622个可用的输入/输出引脚和1.1M比特的嵌入式寄存器。它提高了百分之六十的性能和降
6、低了一半的功耗，而低成本和优化特征使它为各种各样的汽车、消费、通讯、视频处理、测试与测量、和其他最终市场提供理想的解决方案3。1.4 VHDL语言简介诞生于1983年的VHDL，是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language的简称，1987年底，VHDL被作为“IEEE标准1076”发布。VHDL不仅可以作为系统模拟的建模工具，而且可以作为电路系统的设计工具，能通过Quartus II把VHDL源码自动转化为基本逻辑元件连接图，这极大的推进了电路自动设计4。VHDL能从多个层次对数字系统进行建模和描述，所以大大
7、简化了电路设计的任务，提高了设计效率。1.5 Quartus II简介由Altera提供的FPGA开发集成环境Quartus II，因为其运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点，迅速占领了市场5。Quartus II支持VHDL、Verilog的设计流程，提供了完整的多平台设计环境，能满足各种特定设计的需要，同时，它还具备仿真功能，因此给系统的软硬件设计和调试带来了很大的便利。1.6 数据采集技术简介系统利用FPGA直接控制ADC0809对模拟信号进行采样，将转换好的8位二进制数据存储到存储器中，在完成对模拟信号一个或数个周期的采样后，通过DAC0832的输出端将数据读取出来。第二章
8、总体设计2.1 硬件设计2.1.1 线性电源模块根据系统要求，需提供+12V、-12V、+5V的电源。因此我采用了滤波电容、防自激电容、LED灯及固定式三端稳压器LM7905、LM7812和LM7912等器件搭建成能产生精度高、稳定度好的直流输出电压的线性电源电路。系统的线性电源电路部分原理图如图2.1所示：图2.1 系统的线性电源模块电路当电路接通后，如果LED灯亮起，则代表能产生出要求的电压。为了实验的携带方便，我另外再加上电源变压器和整流电桥。在画PCB的时候，用大面积覆铜，有助于美观和节约实验器材。实物如图2.2所示：图2.2系统的线性电源实物图PCB图见附录一。2.1.2 数据采集模
9、块系统采用ADC0809进行数据采集,ADC0809是逐次逼近式A/D转化器，由8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容组成的控制逻辑的CMOS组件。ADC0809每进行一次比较，即决定数字码中的以为码的去留操作，需要8个时钟的脉冲，而它是8位A/D转换器，所以它完成一次转换需要8*8=64个时钟，这样它的转换时间为t=64*（1/f），f为时钟频率。系统用的时钟为500KHz，所以ADC0809的转换时间为128us6。因为采样时需要满足采样定理，即采样频率需要大于等于输入信号最高频率的2倍，所以ADC0809能采样的最高频率为3906.25Hz。ADC0809的主要特性：分辨率为8位
10、,具有转换启停控制端,单个+5V电源供电,模拟输入电压范围0+5V，不需要零点和满刻度校准,系统中由可调电位器提供,工作温度范围为-40+85摄氏度,低功耗，约15mW。它的内部逻辑结构如图2.3所示：图2.3 ADC0809内部逻辑结构ADC0809引脚排列如图2.4所示：图2.4 ADC0809引脚排列ADC0809为28引脚双列直插式封装，各引脚含义如下：IN0IN7：8位模拟量输入引脚。D0D7：8位数字输出量引脚。START：A/D转换启动信号输入端。EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟
11、信号输入端。VCC：+5V工作电压。VREF（）：参考电压正端。GND：地。VREF（）：参考电压负端。ALE：地址锁存允许信号输入端。ABC：地址输入线。系统的数据采集模块部分电路原理图如图2.5所示：图2.5 系统数据采集模块电路当ALE高电平有效时，因为ABC接的都是低电平，所以选择的是IN0通道。当START为上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始A/D转换；在转换期间，START需保持低电平不变。而当EOC为高电平时，表明A/D转换结束。当OE=1时，输出转换得来的数据；否则，输出数据线呈高阻态。PCB图见附录一。2.1.3 数据输出模块系统采用的数据输出为DAC0832。DA
12、C0832是8分辨率的D/A转换集成芯片，由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。它因为价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，而得到了广泛的应用7。DAC0832的主要参数有：1.分辨率为8位。2.转换时间为1us。3.满量程误差为1LSB。4.参考电压为-10+10V。5.供电电源为+5+15V。6.逻辑电平输入与TTL兼容。它的内部逻辑结构如图2.6所示：图2.6 DAC0832内部逻辑结构DAC0832引脚排列如图2.7所示：图2.7DAC0832引脚排列CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效。WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应
13、大于500ns）有效。AGND：模拟信号地。D0D7：8位数据输入线。VREF：基准电压输入线，范围为-10V+10V。Rfb：反馈信号输入线，可通过改变Rfb端外接电阻值来调整转换满量程精度。DGND：数字信号地。IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化。IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数。XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效。WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。VCC：电源输入端，范围为+5V+15V。本实验用的是+5V。DAC0832的输出放大和滤波电路采用TL
14、082芯片搭建。TL082是一通用J-FET双运算放大器。它的内部结构和引脚排列如图2.8所示8：图2.8 TL082内部结构和引脚排列TL082为8引脚双列直插式封装，各引脚含义如下：（1）Output 1输出1；（2）Inverting input 1反向输入1；（3）Non-inverting input 1正向输入1；（4）Vcc-电源-12V；（5）Non-inverting input 2正向输入2；（6）Inverting input 2反向输入2；（7）Output 2输出2；（8）Vcc+电源+12V。系统的数据输出电路部分原理图如图2.9所示：图2.9 系统数据输出模块电路
15、2.1.4 按键控制模块系统采用两个按键开关设计正/负电平输入信号电路，作按键控制模块。一个按键控制CLR，另一个按键控制WREN。两个按键开关电路如图2.10所示：图2.10 系统按键控制模块电路系统实物如图2.11所示：图2.11 系统实物图在画PCB的时候，用大面积覆铜，有助于美观和节约实验器材。系统PCB图见附录一。2.2 软件设计2.2.1 ADCINT设计ADCINT是控制0809的采样状态机。由ADC0809驱动程序生成的原理图如图2.12所示：图2.12 ADCINTADCINT仿真图如图2.13所示：图2.13 ADCINT仿真图2.2.2 CNT10B设计CNT10B中有一个用于RAM
