1 背景知識

隨著信息技術的發(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間內完成大量數(shù)據(jù)采集的場合，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度提出了非常高的要求。

為了實現(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)的構成及技術實現(xiàn)。采用 FPGA 作為主模塊，AD7609為數(shù)據(jù)采集模塊，并設計了硬件實現(xiàn)電路。

實驗測試結果表明，系統(tǒng)結構靈活，性價比高，數(shù)據(jù)采集能力強，各項指標均達到了設計要求，具有廣泛的實用性。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設計

2.1.1 主控模塊FPGA

在本設計中，F(xiàn)PGA主控模塊使用Xilinx公司的Spartan-6產(chǎn)品，型號為XC6SLX9-2FTG256C。設計中使用了該系列的黑金FPGA開發(fā)板，有效地提高了開發(fā)設計進度。開發(fā)板系統(tǒng)結構圖如下圖1所示。

圖 1 開發(fā)板系統(tǒng)結構圖

FPGA模塊為整個系統(tǒng)的核心控制部分，使用硬件描述語言Verilog HDL對FPGA進行程序設計，以實現(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)，該器件內置模擬輸入箝位保護、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)轉換器(ADC)、靈活的數(shù)字濾波器、2.5 V基準電壓源、基準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，同時所有通道均能以高達200kSPS的吞吐速率采樣。

在此次設計中，將AD的工作方式設置為串行數(shù)據(jù)采集模式，采樣率設為最高速率200kSPS，參考電壓為內部基準模式，設計的電路原理圖如下圖3所示。

圖 3 AD7609原理圖設計

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

2.1.3 硬件電路的實現(xiàn)

本設計中，使用Cadence軟件設計了AD采集電路，進行了實物焊接和驗證。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，并調試成功的實物圖如下圖5所示。

圖 5 前端實物電路圖

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

2.2 系統(tǒng)程序設計

2.2.1 程序流程設計

本設計中，將AD7609的工作方式配置為串行模式，采樣率200kSPS，對應的串行模式采樣時序如下圖6所示。

圖 6 串行模式的采樣時序圖

通過FPGA設計AD采集轉換程序，根據(jù)AD7609采樣要求與工作特性，設計了如下圖7所示的AD采樣流程圖。

圖 7 AD7609采樣流程圖

2.2.2 AD7609程序設計

AD7609能同時滿足8通道的200kSPS采樣，在本設計中，對通道CH1和CH2進行程序控制和設計。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 仿真驗證

采用ISE14.7內部的仿真軟件進行仿真驗證，核心測試源程序如下圖11所示。

圖 11 仿真測試源程序

對用的仿真結果如下圖12所示，可見完整地實現(xiàn)了對AD7609的功能控制。

圖 12 程序仿真驗證結果

2.2.4 實測驗證

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

使用ChipScope在線調試軟件抓取實時數(shù)據(jù)，驗證硬件模塊的正確性，得到如下圖13所示的AD7609數(shù)據(jù)采樣結果。

圖 13 實物數(shù)據(jù)采樣結果

本設計中，AD7609的數(shù)值轉換的計算公式如下圖14所示。

圖 14 AD7609數(shù)值轉換公式

對應圖13中的數(shù)據(jù)計算過程為：(6Af6)H = (27382)D，采樣得到的數(shù)值V=27382*10/131072 = 2.08908V，與實際輸入電壓一致。

3 結語

經(jīng)過實驗測試和計算，充分驗證了本系統(tǒng)設計的合理性和有效性。實驗數(shù)據(jù)表明，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了對高速數(shù)據(jù)的連續(xù)采樣。