高速同步數據采集系統的設計論文
在電氣設備監測和微弱電信號測量中，需要對相關信號或微弱信號同步測量，以便分析信號間的相關信息得出正確的分析或控制策略。這些相關信號或是微弱電信號的分析處理，都需要大數據量的，并具有良好同步性的高性能數據采集系統為其服務。本文設計的雙通道高速同步數據采集系統采用高精度ADC實現模擬信號的高精度采集；運用FPGA將同步采集后的數據存儲至SRAM中；采用USB2．0總線與PC機實現數字信號的傳輸；利用LabVIEW的強大數據處理能力較好的實現數據分析。
1系統整體方案
雙通道高速同步數據采集系統的總體設計構成如圖1所示。該系統主要由以下各模塊組成：ADC信號采集模塊、FPGA控制模塊和LabVIEW上位機數據處理模塊。其基本工作原理為：FPGA通過高性能ADC同步采集控制，實現雙通道高速同步采集，并緩沖整理數據至SRAM中；USB經由FPGA控制讀取SRAM中數據并發送至PC中；LabVIEW實現數據運算，實現完整的信號分析過程。系統從軟硬件兩方面進行協調設計保證了整體設計的可靠性和實時性。
2系統的硬件設計
2．1FPGA控制模塊本設計采用Altera公司的EP4C22F來實現數據采集系統的硬件邏輯控制。該芯片有著近74kB的總RAM存儲空間和多達153可分配I／O管腳，為本系統搭建提供了便利。本系統中的邏輯控制主要分為：AD采樣時序控制、數據的SRAM緩沖存儲和CY7C68013發送控制。FPGA控制模塊如圖2所示。2．2A／D轉換電路的設計作為采集系統的最前端，A／D轉換器對整個系統的精度起到了決定性的作用。本系統采用AnalogDevicesInc（ADI）公司的A／D轉換芯片AD7903，構建雙通道高速同步數據采集系統的采集平臺。AD7903作為一款雙通道16bit的逐次逼近型模數轉換器（ADC），具有1MSPS的轉換速率。該芯片內部集成有兩個16－bit的高速ADC和一個多功能串行端口接口（SPI），其SPI兼容串行接口可實現多個ADC在菊花鏈工作模式下連結到單個三線式總線上�；鶞孰妷海╒REF）由獨立于電源電壓的外部基準設定。因此，AD7903在通信系統、數據采集、醫療儀器等領域中得到了廣泛應用。為了減小開發難度、縮短研發時間，選取AD7903工作在CS模式（三線式接口且無繁忙指示）下。該模式可極大地優化編程難度，同時也可以保證數據精度。2．3USB傳輸接口硬件設計本系統采用CYPRESS公司的USB2．0控制器CY7C68013實現數據的高速傳輸。CY7C68013為一款集成了USB2．0收發器的微控制器，其內部集成了USB2．0收發器、增強型8051內核、串行接口引擎SIE、可編程I／O接口以及FIFO等功能組件。其4KB的FIFO存儲器設計專用于實現數據的高速傳輸。芯片的硬件接口模式有端口模式、SlaveFIFO模式和GPIF模式，本系統采用SlaveFIFO模式。在SlaveFIFO模式下，片內FIFO的讀寫控制與普通FIFO控制方式一致，保證了數據的高速傳輸。USB數據傳輸的高速，大數據量傳輸特性便于LabVIEW對數字信號的運算處理。
3系統的軟件設計
3．1A／D采樣時序在CS模式（三線式接口且無繁忙指示）下，CNVx上升沿觸發采樣轉換，輸出管腳SDOx強制輸出高阻態。在單次轉換過程中，時序變化無效，CNVx維持高電平至轉換完成，此后AD7903進入數據采樣輸出階段并處于關斷狀態。在采樣數據輸出階段中，CNVx保持低電平，SDOx自動輸出MSB。以完成轉換后的CNVx下降沿為觸發信號，在SCKx下降沿逐個輸出數據。完成單次的數據輸出后，CNVx變為高電平時SDOx重新返回高阻態。3．2SRAM存儲控制SRAM數據緩沖模塊，旨在與匹配A／D低速的采樣數據流和USB的高速傳輸特性，實現采樣數據的緩存和傳輸。同時，FPGA內部RAM資源的有限性，更加突出SRAM數據緩沖模塊的必要性。系統選用ISSI公司的IS64LV25616A，具有低功耗、控制簡單和能夠實現高速讀寫等特點。為了實現系統實時性的要求，選用2片SRAM交替讀寫。控制信號確保在采集過程中寫入和讀出數據操作獨立，其中一個處于寫滿狀態時，數據輸出至USB，新采集數據存入另一片。由此反復，構成一個高速FIFO，從而實現采集數據的不間斷讀寫。SRAM控制流程如圖4所示。3．3USB控制模塊設計在EZ－USB處于SlaveFIFO模式時，芯片擺脫其內部單片機的控制，僅受外部FPGA邏輯電路控制。圖給出了FPGA控制SlaveFIFO邏輯狀態機制，其描述如圖5所示。啟動：空閑，等待寫時間，跳轉狀態1；狀態1：激活FIFOADR，跳轉至狀態2；狀態2：判斷FIFO滿標志FLAGB管腳電平，若“假”則跳轉狀態3，否則等待；狀態3：驅動數據至總線，進行數據傳輸，后跳轉至狀態4；狀態4：判斷FIFO空標志FLAGA管腳電平，若“假”則跳轉狀態2，否則轉向啟動。USB固件程序為EZ－USB芯片CY7C68013的控制程序，可通過其設定芯片的傳輸方式、PID／VID、緩沖區大小、數據寬度等相關參數。固件程序的下載一般有兩種方法：①將程序存儲至片外EEPROM；②一個可自動固件加載以及設備重枚舉功能的驅動程序�？紤]到硬件資源優化和設備的可移植性，系統選擇固件程序來完成初始化及其他操作。USB主機通過檢測USB接口管腳D＋、D－電壓判斷USB設備是否連接。在USB設備連接至USB主機，主機對其上電復位，并配置USB設備地址。主機通過發送讀取描述符請求（GetDescription）請求獲得USB控制傳輸字節數，USB固件等待令牌包并處理相應命令。完成后，主機對USB設備進入枚舉過程。主機循環向USB設備發出讀取描述符請求（GetDescription）請求，讀取所有描述符獲得USB配置信息。主機根據設備VID及PID選擇合適驅動加載。之后主機發送請求為USB設備選擇配置，枚舉結束。為了便于控制，USB主機重新加載自定義固件程序，USB設備進行重枚舉。USB設備與上位機PC的連接中，LabVIEW提供了眾多簡便的硬件接口驅動。即使是復雜的USB接口協議，NI－VISA仍提供了完備的USB設備的硬件驅動程序。通過NI－VISA軟件，可更好的完成系統搭建，縮短開發時間。創建USB設備的驅動步驟如下：1）打開NI－VISADriverWizard，選擇USB硬件總線；2）填寫USB設備基本信息對話框，如：VID／PID，制造商等；3）填寫輸出文件文件名及保存路徑；4）將新生成的文件安裝在本地計算機；5）完成USB驅動程序安裝，在設備管理器中便可看到完成安裝后的USB設備。至此，整個USB設備在LabVIEW中完成驅動設備的安裝，可自由實現數據讀寫。3．4上位機LabVIEW軟件設計系統調用針對信號與系統分析的相關函數，實現被采信號的數據存儲、圖形顯示和傅里葉變化。LabVIEW程序前面板如圖6所示：圖6采集程序界面
4結束語
文章較完整地介紹了雙通道同步數據采集系統的組成。采用轉換性能優越，高精度的AD7903，配合USB高速傳輸特性和LabVIEW的多類型硬件接口的適配性和數據處理功能，構建具有強大數據處理功能的采集系統。根據文中所設計采集系統，用戶可擴展至多通道采集系統或多時鐘采集系統，實現更加靈活應用的目的。
參考文獻
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