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实用标准文案

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基于FPGA和SoC单片机的

高速数据采集系统设计

一.选题背景及意义

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和科 学研究中已成为必不可少的部分。

　高速数据采集系统在自动测试、 生产控制、通 信、信号处理等领域占有极其重要的地位。

　随着SoC单片机的快速发展，现在已 经可以将采集多路模拟信号的 A/D转换子系统和CPU核集成在一片芯片上，使整 个数据采集系统几乎可以单芯片实现，从而使数据采集系统体积小，性价比高。

　FPGA为实现高速数据采集提供了一种理想的实现途径。利用FPGA高速性能和本 身集成的几万个逻辑门和嵌入式存储器块，把数据采集系统中的数据缓存和控制 电路全部集成在一片FPGA芯片中，大大减小了系统体积，提高了灵活性。 FPGA

还具有系统编程功能以及功能强大的 EDA软件支持，使得系统具有升级容易、开 发周期短等优点。

.设计要求

.设计要求

设计一高速数据采集系统，系统框图如图 1-1所示。输入模拟信号为频率

200KHz Vpp=0.5V的正弦信号。采样频率设定为25MHz通过按键启动一次数据 采集，每次连续采集128点数据，单片机读取128点数据后在LCD模块上回放显

示信号波形

LCD哼決键雄C8O51F36C单片机匚

LCD哼決

键雄

C8O51F36C

单片机

匚 a

高速

僖号-

ADC

■

调理

咬拟 信号

图1-1高速数据采集原理框图

整体方案设计

高速数据采集系统采用如图3-1的设计方案。高速数据采集系统由单片机最小系 统、FPGA最小系统和模拟量输入通道三部分组成。输入正弦信号经过调理电路 后送高速A/D转换器，高速A/D转换器以25MHz的频率采样模拟信号，输出的数 字量依次存入FPGA内部的FIFO存储器中，并将128字节数据在LCD模块回放显 示。

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rFPG丸於小招统200kHz Vpp-0r5V it弦佰号图3-1高速数据采集系统设计方案

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FPG丸於小招统

200kHz Vpp-0r5V it弦佰号

图3-1高速数据采集系统设计方案

1.模拟量输入通道的设计

模拟量输入通道由高速A/D转换器和信号调理电路组成。信号调理电路将模拟信 号放大、滤波、直流电平位移，以满足 A/D转换器对模拟输入信号的要求。

2.高速A/D转换电路设计

FPGA模块设计

本设计的数据缓冲电路采用 FIFO存储器。FIFO数据缓冲电路原理如图5-1

FIFO进捺缓沖电埒高速A/D转换器单片机总小系统

FIFO进捺缓沖电埒

高速A/D转换器

单片机总小系统

L

图5-1 FIFO数据缓冲电路原理

FIFO的写端口的数据线与ADS931的数据线直接相连，FIFO的写时钟和ADS931 采用同一时钟信号CLK0 FIFO的读端口与单片机并行总线相连，数据输出端口 加了三态缓冲器。地址译码器的片选信号 CS1和读信号RD相或非后作为FIFO

的读时钟电路和三态缓冲的使能信号。

FIFO数据顶层原理图如图5-2。

图5-2 FIFO数据顶层原理图

F360单片机模块设计

主程序完成C8051F360单片机初始化、检测有无按键输入等功能。在此系统中我

们加入了一个频率测试显示功能。主程序流程图如图 6-2。

LCD显不初蛤翠宜浪示计算坝半

LCD显不初蛤翠宜

浪示计算坝半

图6-2 主程序流程图

主程序源代码如下:

void mai n()

{

uchar xdata *addr1;

uint i;

float f,ts;

uchar fuzhi;

int up,dow n,m, n;

up=0;dow n=0;m=0;n=0;ts=0.04;

InitDevice(); //F360 初始化

InsitiLcd(); //LCD 模块初始化

DispHa n(ha nzi10,0x80,0x10);

DispHa n(ha nzi11,0x92,0x08);

DispHa n(ha nzi12,0x8a,0x08);

DispHa n(ha nzi13,0x98,0x08);

DispHa n(ha nzi14,0x9c,0x08);

addr仁LEDENCS;

*addr仁0x01;

START=0;

EOC=1;

while(1)

{

if (keysig n == 1)

{

keysig n = 0;

if(keycode==0x00) //k0 键

{

START=1;

while(EOC==0); // 等待数据采集完

START=0;

addr 仁 CS1;

while(EOC==1) // 等待读出第一个有效数据

{

WaveData[0]=*addr1;

}

for(i=1;i<128;i++)

{

WaveData[i]=*addr1;

if(i>3)

{

if(WaveData[i]>=WaveData[i-2]) up=1;

if((WaveData[i]<=WaveData[i-2])&&(up==1)) {up=0;m=i-1;} }

}

if(m>64)

{

for(i=m-5;i>=1;i--)

{

if(WaveData[i]>=WaveData[i-2]) dow n=1;

if((WaveData[i]v=WaveData[i-2])&&( dow n==1)) {dow n=0;n=i-1;}

}

}

else

{

for(i=m+5;i<=128;i++)

{ if(WaveData[i]>=WaveData[i+2]) dow n=1;

if((WaveData[i]<=WaveData[i+2])&&( dow n==1)) {dow n=0;n=i+1;}

}

}

if(m>=n) f=1/(4*(m-n)*ts);

else f=1/(4*( n-m)*ts);

fuzhi=WaveData[m]-WaveData[ n];

In sitiLcd();

ShowWave();

}

if(keycode==0x01) //k1 键

{

In sitiLcd();

DispHa n(han zi15,0x90,0x06);

xiaoshu(f,0x93);

DispHa n(han zi17,0x96,0x03);

// DispHa n(han zi16,0x8a,0x06);

}

}

}

}

系统调试与结果

将各个模块连接后，进行调试。首先在 LCD上显示如图7-1的界面。

图7-1 LCD初始界面

在信号调理电路的模拟输入端输入频率 200KHz Vpp=0.5V的正弦信号,

按K0

键，LCD显示正弦波如图7-2。

7-2 按K0后的波形显示

按K1，LCD显示频率如图7-3。

7-3 LCD 频率显示

与输入频率相比有误差，不过在可以接受的范围内。