基于FPGA的主從式高速數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

摘 要： 針對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有信號(hào)形式多樣、實(shí)時(shí)傳輸和靈活配置的要求，介紹了一種基于FPGA的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，以及系統(tǒng)數(shù)字電路的程序設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列（FPGA）作為數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、組幀和傳輸?shù)目刂坪诵?，通過(guò)低速串口接收控制命令，以高速USB接口向控制臺(tái)發(fā)送采集數(shù)據(jù)幀，設(shè)計(jì)了數(shù)字FIR濾波器濾除采集電路的信號(hào)干擾。測(cè)試結(jié)果表明，直流（DC）信號(hào)的平均測(cè)量精度為0.293%，交流（AC）信號(hào)的平均測(cè)量精度為0.642%，通道間相位差小于10°，適用于遙測(cè)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 高速； 數(shù)據(jù)采集；多通道；可配置；FPGA

隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)字系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可處理的數(shù)字信號(hào)，對(duì)采集系統(tǒng)的精度、采樣率以及數(shù)據(jù)速率都有更高的要求。對(duì)于大型復(fù)雜的設(shè)備，其故障檢測(cè)和診斷同樣是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，采集設(shè)備的工作狀態(tài)及環(huán)境變化，對(duì)操作者了解設(shè)備的工作狀態(tài)，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)的故障作出判斷和處理有積極的意義。FPGA器件具有很高的集成度，豐富的資源，用戶(hù)可編程，使用方便靈活，設(shè)計(jì)周期短，因而廣泛應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)中。本文介紹了以FPGA為控制核心的高速數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，以低速串口傳輸數(shù)據(jù)量少的上位機(jī)控制指令，通過(guò)高速USB接口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)量大的采集數(shù)據(jù)幀，保證指令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕商峁┳疃?2路采集通道，并可通過(guò)上位機(jī)界面配置采集通道數(shù)量和采集電路增益，F(xiàn)PGA控制器根據(jù)約定的控制協(xié)議執(zhí)行操作。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)以ISE 10.1為平臺(tái)，使用Verilog HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)針對(duì)復(fù)雜環(huán)境的大型設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和故障診斷需求，提供一種可應(yīng)用遠(yuǎn)程測(cè)控的底層數(shù)據(jù)采集與傳輸應(yīng)用[1-3]。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要有上位機(jī)管理系統(tǒng)、鏈路管理主控層和通道管理從控制層三個(gè)主體部分。上位機(jī)管理系統(tǒng)提供人機(jī)交互的功能，本文不做詳細(xì)介紹，系統(tǒng)硬件主體主要由主控層和從控層組成。鏈路管理主控制層主要實(shí)現(xiàn)控制指令解析、數(shù)據(jù)管理和從控層管理等功能，通道管理從控制層主要功能是通道管理和配置、數(shù)據(jù)管理和傳輸。主控層提供3個(gè)與從控層通信的差分接口，可支持3塊從控層并行工作。

鏈路管理主控制層由1片Xilinx的FPGA芯片XC3S1500作為控制模塊，3組差分芯片對(duì)作為主控層與從控層的通信鏈路，1片RS232和CY7C68013A芯片分別作為控制層與上位機(jī)管理系統(tǒng)的下行控制鏈路和上行數(shù)據(jù)鏈路。主控FPGA與采集FPGA是跨印制板連接，使用差分驅(qū)動(dòng)和接收芯片（LVDS391/390）通過(guò)屏蔽差分線纜連接，主控層與每個(gè)從控層通過(guò)1根包含6對(duì)差分線的屏蔽線纜連接，上行和下行各3對(duì)差分線路，保證板間通信的可靠性。

從控層由1片Xilinx的XC3S200AN芯片作為控制模塊構(gòu)成母板，每2路采集通道組構(gòu)成采集子板，以雙列直插的方式與母板連接，整體結(jié)構(gòu)并行對(duì)稱(chēng)，采集母板提供了4個(gè)子板接口，可以8路通道并行工作。從控層結(jié)構(gòu)如圖2所示，每一路采集通道由AD8253和AD8250組成的前后兩級(jí)放大，級(jí)聯(lián)的芯片增益可由從控層FPGA通過(guò)軟件配置，溫度傳感器DS18B20實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)本身的工作環(huán)境溫度。