基于FPGA +AD7609的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)

1 背景知識(shí)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，特別是各種數(shù)字處理器處理速度的提高，人們對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求越來越高，特別是在一些需要在極短時(shí)間內(nèi)完成大量數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度提出了非常高的要求。

為了實(shí)現(xiàn)高速、連續(xù)采樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本文介紹了一種基于 FPGA +AD7609的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成及技術(shù)實(shí)現(xiàn)。采用 FPGA 作為主模塊，AD7609為數(shù)據(jù)采集模塊，并設(shè)計(jì)了硬件實(shí)現(xiàn)電路。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，性價(jià)比高，數(shù)據(jù)采集能力強(qiáng)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有廣泛的實(shí)用性。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 主控模塊FPGA

在本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA主控模塊使用Xilinx公司的Spartan-6產(chǎn)品，型號(hào)為XC6SLX9-2FTG256C。設(shè)計(jì)中使用了該系列的黑金FPGA開發(fā)板，有效地提高了開發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)度。開發(fā)板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

圖 1 開發(fā)板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

FPGA模塊為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，使用硬件描述語言Verilog HDL對(duì)FPGA進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能要求。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊AD7609

AD7609是一款18位、8通道、真差分、同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），該器件內(nèi)置模擬輸入箝位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、18位電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、靈活的數(shù)字濾波器、2.5 V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及高速串行和并行接口。其功能框圖如圖2所示。

圖 2 AD7609功能框圖

AD7609采用5 V單電源供電，可以處理±10 V和±5 V真雙極性差分輸入信號(hào)，同時(shí)所有通道均能以高達(dá)200kSPS的吞吐速率采樣。

在此次設(shè)計(jì)中，將AD的工作方式設(shè)置為串行數(shù)據(jù)采集模式，采樣率設(shè)為最高速率200kSPS，參考電壓為內(nèi)部基準(zhǔn)模式，設(shè)計(jì)的電路原理圖如下圖3所示。

圖 3 AD7609原理圖設(shè)計(jì)

AD7609的控制端口，連接到FPGA控制模塊，通過Verilog程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和控制。

2.1.3 硬件電路的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中，使用Cadence軟件設(shè)計(jì)了AD采集電路，進(jìn)行了實(shí)物焊接和驗(yàn)證。其印制板PCB電路圖如下圖4所示。

圖 4 印制板PCB電路圖

焊接完成，并調(diào)試成功的實(shí)物圖如下圖5所示。

圖 5 前端實(shí)物電路圖

其中AD7609的控制引腳，通過排線與FPGA的IO口連接，被采集信號(hào)，從右邊的CH1和2端口輸入。

2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.2.1 程序流程設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，將AD7609的工作方式配置為串行模式，采樣率200kSPS，對(duì)應(yīng)的串行模式采樣時(shí)序如下圖6所示。

圖 6 串行模式的采樣時(shí)序圖

通過FPGA設(shè)計(jì)AD采集轉(zhuǎn)換程序，根據(jù)AD7609采樣要求與工作特性，設(shè)計(jì)了如下圖7所示的AD采樣流程圖。

圖 7 AD7609采樣流程圖

2.2.2 AD7609程序設(shè)計(jì)

AD7609能同時(shí)滿足8通道的200kSPS采樣，在本設(shè)計(jì)中，對(duì)通道CH1和CH2進(jìn)行程序控制和設(shè)計(jì)。模塊接口源程序如下圖所示。

圖 8 AD7609模塊接口程序

AD7609采集控制流程源程序如下圖9所示。

圖 9 AD7609采集控制流程程序

綜合該模塊后的RTL電路圖如下圖10所示。

圖 10 AD7609模塊的RTL圖

2.2.3 仿真驗(yàn)證

采用ISE14.7內(nèi)部的仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，核心測(cè)試源程序如下圖11所示。

圖 11 仿真測(cè)試源程序

對(duì)用的仿真結(jié)果如下圖12所示，可見完整地實(shí)現(xiàn)了對(duì)AD7609的功能控制。

圖 12 程序仿真驗(yàn)證結(jié)果

2.2.4 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

首先在工作區(qū)中配置ChipScope在線調(diào)試軟件，添加需要觀測(cè)的數(shù)據(jù)。然后，通過該調(diào)試軟件，將程序下載到主控模塊的FPGA中。

使用ChipScope在線調(diào)試軟件抓取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證硬件模塊的正確性，得到如下圖13所示的AD7609數(shù)據(jù)采樣結(jié)果。

圖 13 實(shí)物數(shù)據(jù)采樣結(jié)果

本設(shè)計(jì)中，AD7609的數(shù)值轉(zhuǎn)換的計(jì)算公式如下圖14所示。

圖 14 AD7609數(shù)值轉(zhuǎn)換公式

對(duì)應(yīng)圖13中的數(shù)據(jù)計(jì)算過程為：（6Af6）H = （27382）D，采樣得到的數(shù)值V=27382*10/131072 = 2.08908V，與實(shí)際輸入電壓一致。

3 結(jié)語

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算，充分驗(yàn)證了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和有效性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速數(shù)據(jù)的連續(xù)采樣。