基于DSP与FPGA的高精度数据采集系统设计

发布时间：2020-07-21 17:55:34 阅读：次来源：护眼仪厂家

当前，许多领域越来越多地要求具有高精度A/D转换和实时处理功能。同时，市场对支持更复杂的显示和通信接口的要求也在提高，如环境监测、电表、医疗设备、便携式数据采集以及工业传感器和工业控制等。传统设计方法是应用MCU或DSP通过软件控制数据采集的A/D转换，这样必将频繁中断系统的运行，从而减弱系统的数据运算能力，数据采集的速度也将受到限制。本文采用DSP+FPGA的方案，由硬件控制A/D转换和数据存储，最大限度地提高系统的信号采集和处理能力。

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系统结构

整个采集卡包括信号调理、数据采集、数据处理和总线接口设计。系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

本文设计了具有信号衰减、增益放大和滤波等功能的信号调理电路，采用16位精度、最高采样率为500KSPS的A/D转换器AD7676；数字系统设计利用FPGA极其灵活、可编程的特点，选用Altera公司FPGA芯片EP2C8Q208，完成精度校正和逻辑时序控制；DSP采用TI公司的TMS320VC5416，使A/D转换后的数据在传输到上位机之前，进行数据整理、标记、打包以及数据预处理。数据采集卡可同时进行8通道数据采集，通道可进行衰减倍数、采样速度以及放大增益设置。同时提供模拟输出通道，用于实现波形产生和模拟驱动功能。能够进行自动校准，保证数据采集的准确性。PCI总线接口电路采用PLX Technology公司的PCI总线接口芯片PCI9030,完成数据采集和状态、控制信号的传输。

系统硬件电路设计

数据采集模块设计

从传感器送来的8路模拟输入信号通过多路模拟开关ADG507选择进入模拟通道，如果多通道同时采集，则采用时分复用方式，由FPGA依次控制各通道的通断。模式选择开关ADG509为四选一模拟开关,可分别选择被测模拟信号、标准参考电压值或用于通道校准的、经过DAC转换后的信号进入后级滤波衰减网络电路。送入ADC的信号要先经过低通滤波,以滤除高频噪声。滤波电路设计为二阶阻容低通滤波器，对频率高于50KHz的信号滤波。衰减电路设计为有源衰减，选用Linear公司的差分放大器LTC1992，可完成输入信号极性转换,实现单端信号转差分信号,同时通过由FPGA控制继电器选通不同的电阻网络调整衰减倍数，可实现对不同电压输入范围信号的调整，以满足AD7676的输入电压范围。信号增益可编程放大器LTC6911可通过编程设置以1、2、5步进变化的1 V/V100 V/V增益倍数，数据采集过程中通过FPGA内部的比较电路自动调整增益放大器增益倍数，极大提高了对微弱信号的分辨能力。AD7676为差分信号输入， MAX6325基准源提供基准为2.5V的参考电压，采样时钟由晶振提供10MHz时钟信号经FPGA内部分频电路得到，单通道最高采样率为500KSPS。

FPGA电路设计

FPGA芯片也是一种特殊的ASIC芯片，属于可编程逻辑器件，它是在PAL、GAL等逻辑器件的基础上发展起来的。同以往的PAL、GAL等相比，FPGA规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路应用。本文选用Altera公司的FPGA芯片EP2C8Q208，完成数据采集卡的时序和地址译码电路设计。由于EP2C8Q208有36个M4K RAM，在FPGA内部设计一个16位宽度、4KB深度的FIFO，使用FIFO提高数据采集卡对多通道信号的采集存储能力。FIFO有半满、全满、空标志位，当DSP检测到半满标志位时，FIFO同时读写；全满时只读不写；空时只写不读。A/D采样控制信号由DSP通过FPGA控制；DSP对采集后的数据进行进一步处理，以提高精度，也具有传统CPU或MCU的功能，对时序、触发、DMA中断请求作出相应处理。

DSP电路设计

DSP采用 TMS320VC5416，它是16位定点DSP，具有高度的操作灵活性和很高的运行速度，采用改善的哈佛结构(1组程序存储器总线，3组数据存储器总线，4组地址总线)，具有专用硬件逻辑的CPU、片内128KB的存储器、片内外设，以及一个效率很高的指令集。

DSP 在系统中的作用主要是将A/D转换后的数据在传输到上位机之前，进行数据整理、标记、打包以及数据预处理。数据采集系统所有控制信号都由DSP控制FPGA逻辑电路产生。DSP外挂Flash存放DSP程序及其它配置数据，在上电时，DSP采用并行方式调入DSP内部执行。