基于FPGA的高速采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1、    基于FPGA的高速采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)        張東升1， 張東來1， 秦海亮1 時間:2008年05月29日     字 體: 大 中 小        關鍵詞:        摘要：關鍵詞： 高速采集 FPGA 分時操作工程應用中經(jīng)常需要對一些具有長時間域、瞬變特

2、征的信號進行檢測，由于信號波形具有時域位置不確定等特點，特別在航天測控、故障診斷、定位等系統(tǒng)中，所以往往還需要同時對多個參數(shù)進行采集13。一般暫態(tài)過程中還有豐富的有用信息，能夠為故障診斷、失效分析等提供有力的理論依據(jù)；連續(xù)大容量數(shù)據(jù)信息對于趨勢預測、壽命診斷、檢測以及系統(tǒng)參數(shù)估計和辨識具有重要的意義。因此，這對數(shù)據(jù)采集、存儲和傳輸速度及精度提出了較高要求。由于一般處理器主頻和資源的限制，無法達到高速數(shù)據(jù)采樣、高分辨率、大數(shù)據(jù)量存儲的目的；DSP等高性能處理器雖然可以滿足一定場合的高速采集的需要，但過于頻繁的中斷使CPU效率降低，響應速度變差。目前，一般采用CPLD 或FPGA直接控制A/D轉換

3、的方式達到高速采集的目的。但采用CPLD或FPGA控制A/D轉換的很多應用中，同樣存在一些問題，主要為一般都外掛數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，降低了系統(tǒng)的傳輸速度，同時增加了硬件成本4；另外對于高精度、多通道、并行轉換A/D系統(tǒng)，使得接入FPGA的管腳數(shù)增多，這樣造成FPGA等系統(tǒng)資源的嚴重浪費和成本的增加。本文給出了一種共享總線、同步采集、分時讀取的方法，提高了系統(tǒng)采集和傳輸速度，達到對多通道、高分辨率并行A/D同步采集的有效控制，合理利用了FPGA系統(tǒng)資源，降低了硬件成本。1 系統(tǒng)基本原理與設計多通道同步高速采集系統(tǒng)結構如圖1所示5。由圖1可知，系統(tǒng)主要包括信號調(diào)理、A/D數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)傳輸存儲、EM

4、IF總線接口、DSP部分以及PCI接口等。6路輸入模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后送入A/D轉換器，數(shù)據(jù)經(jīng)A/D控制單元存入FPGA內(nèi)部緩沖區(qū)，由EMIF接口模塊送至DSP外部存儲區(qū)，最后經(jīng)PCI總線上傳給PCI104上位機。1.1 基本原理1.2 A/D數(shù)據(jù)采集與控制本文使用TI公司的THS1408 A/D轉換芯片。THS1408具有14bit分辨率，最高采樣速率達到8 MSPS，采用流水線結構，14位并行接口6。本文最高采樣頻率為5MHz，并行采集6路模擬電壓或電流信號。A/D轉換采樣時序如圖2所示，在CLK為高電平的半個時鐘周期加上td(輸出延時時間)的時間內(nèi)，轉換后的數(shù)據(jù)都是有效的。因此，在

5、CLK為高電平的半個時鐘周期內(nèi)，讀取轉換結果是最穩(wěn)定和可靠的。 ?圖3為A/D采樣結果讀取時序，其中，為片選信號，低電平有效；為輸出激活信號，低電平有效；D13：0為雙向數(shù)據(jù)總線；A1：0為地址輸入信號，可尋址四個地址，其中0地址存放轉換結果，另外三個地址為控制、增益設定和偏移設定寄存器；tsu(OE-ACS)為地址以及片選建立時間，要求最小為4ns；ten為輸出使能時間，最大為15ns；tdis為輸出關斷時間，典型值為10ns；th(A)為地址保持，最小為1ns；th(CS)為片選保持時間，最小為0ns。從圖2和圖3可以得出，完成A/D采樣和讀取控制的步驟如下：(1)首先，為ADC提供采樣時

6、鐘信號CLK；(2)在CLK時鐘信號上升沿，使片選信號有效，地址信號A1：0輸出為0，使輸出激活信號有效；(3)至少延時tsu(OE-ACS)+ten=19ns；(4)從數(shù)據(jù)總線D13：0讀取轉換結果；(5)使片選信號無效，無效。本文在FPGA內(nèi)部采用環(huán)形隊列結構，用于暫存采集數(shù)據(jù)，并采用乒乓方式切換數(shù)據(jù)存儲區(qū)，提高數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)暫存的可靠性。定時觸發(fā)DSP的EDMA(Enhanced Direct Memory Access)事件，通過EMIF(External Memory Interface)總線接口完成高速數(shù)據(jù)傳輸。環(huán)形隊列內(nèi)存要求較小，不易丟失數(shù)據(jù)，控制邏輯復雜，采用乒乓方式觸發(fā)數(shù)據(jù)

7、傳輸事件，保證了采樣和傳輸?shù)牟婚g斷進行。3 FPGA的邏輯控制功能的實現(xiàn)采用Xilinx Spartan-II E系列40萬門FPGA完成邏輯控制功能，主要包括采集時鐘處理、6路并行A/D采集與控制、數(shù)據(jù)存儲與傳輸控制、與DSP的EMIF接口、EDMA事件觸發(fā)控制等。3.1 A/D控制模塊通過上面對A/D控制分析可以知道，在采樣時鐘CLK為高電平的半個時鐘周期內(nèi)，讀取轉換結果是可靠和穩(wěn)定的，由于片選、地址建立時間以及輸出激活時間的要求，在5MHz時鐘信號的半個周期內(nèi)，以共享總線方式可以控制三路A/D轉換器，那么通過兩路總線，就可以完成對六路并行數(shù)據(jù)的采集。圖4為三路A/D轉換器共享數(shù)據(jù)總線的控

8、制時序圖，采用ModelSim仿真工具完成。其中，adcclk為A/D采樣時鐘；inclk0為外接時鐘，經(jīng)過PLL輸出main_clk作為系統(tǒng)的主時鐘，時鐘周期為10ns；adc_oe1、 adc_oe2、adc_oe3為三路A/D輸出使能信號，通過分時有效的方法，讀取各路A/D轉換結果，每個時間片長度為30 ns；adc_cs為A/D片選信號，該信號建立需要一定時間，為實現(xiàn)多路A/D并行采樣，將六路A/D片選信號連接在一起，一直有效；fpga_reset為FPGA復位信號。3.2 環(huán)形數(shù)據(jù)存儲模塊FPGA內(nèi)部通過將雙口RAM與地址控制器結合構成環(huán)形隊列數(shù)據(jù)存儲模塊，數(shù)據(jù)存儲器大小為16KB，

9、每136.53s觸發(fā)一次DSP的EDMA事件，經(jīng)過EMIF數(shù)據(jù)總線，將采集數(shù)據(jù)存儲到DSP的外部存儲器SDRAM中，當有異常發(fā)生時，通過PCI總線上傳到PCI104存儲介質中。圖5為FPGA綜合后的數(shù)據(jù)存儲模塊邏輯圖，通過對地址模塊和雙口RAM的讀寫達到對數(shù)據(jù)的有效存儲和傳輸。4 實驗數(shù)據(jù)與波形圖6為實測其中一路A/D控制的時序圖，A路為A/D輸出使能信號，在每個采樣時鐘的上升沿有效，有效時間為30ns；B路為5MHz采樣時鐘信號。圖7為實際捕獲的瞬變信號圖形，圖8為漸變信號變化的實測圖形。由于系統(tǒng)具有較高的采樣速率，高速的數(shù)據(jù)傳輸和大容量的數(shù)據(jù)存儲能力，無論是對瞬態(tài)變化的信號，還是漸變信號的

10、特征，都可以達到捕捉的目的。?系統(tǒng)采用FPGA實現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽瑢?shù)據(jù)緩沖部分在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)，提高了存儲、讀取速度，節(jié)省了硬件成本；采用分時操作系統(tǒng)思想，以共享總線的方式，完成對多路A/D同步采集的功能，合理利用了資源、節(jié)省了硬件成本。實踐證明，該系統(tǒng)可以滿足多通道高速采集、大數(shù)據(jù)存儲的要求。參考文獻1 曾祥君, 尹項根, 陳 浩等. 電力系統(tǒng)暫態(tài)過程同步記錄的研究. 電力系統(tǒng)及其自動化學報, 2001;(1)2 劉蘇宜, 王國榮, 郭烈恩等. 一種基于ISA總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計. 華南理工大學學報, 2004;(8)3 王志華, 尹項根, 張小波等. 利用CVT捕捉電壓行波實現(xiàn)故障測距的分析與實踐. 電力系統(tǒng)自動化, 2004;(8)4 林長青, 孫勝利. 基于FPGA的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).電測與儀表, 2005;(5)5 Zhang Donglai, Zhang Dongsheng, Zhang Jian et al. Data sampling system with high speed and high timing synchron-ization precision for power line fault position detect