一种基于现场可编程门阵列的多路并行数据采集系统，该系统由模拟调理模
块、ADC模块、电源模块、按键、USB，FPGA芯片、JTAG、EPCS、SDRAM存储器、SRAM
存储器、Flash存储器和上位机构成；所述的USB实现FPGA芯片与上位机之间的通
信；所述的外围设备SDRAM存储器、JTAG、EPCS分别通过各自的控制核连接到FPGA
芯片内部的Avalon总线上，所述的SRAM存储器、Flash存储器通过三态总线连接
到Avalon总线上；所述的电源模块为上述所有的设备提供电源。本发明专利技术有效地解决
ADC转换和处理过程中对CPU资源长期占用的矛盾，具有结构简单、数据的快速读
取和存储的特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数据采集，特别是一种基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,简称为FPGA)的多路并行数据采集系统。
技术介绍
在激光多普勒测声系统中，发射一束激光到空气与水的界面上，检测所得的信 号经过速度解调和频率检波即可实现由水界面的振动频率测量获知水下声场的发射 频率，所得信号再通过光电转换，得到携带相位信息的电信号，然后通过数据采集 系统实现水下目标与水上平台的通信。由于水面的波动和波浪的扰动，激光探测信号很多时候不能到达接收系统，为 了能让激光探测信号尽可能多的返回到达接收望远镜系统，采用了阵列探测的方 法；该方法要求水上平台的数据采集系统能够实时采集和处理多路探测信号。数据 采集卡在各个领域得到广泛应用，但是现有的各种数据采集卡产品，不能同时满足 多路并行、高速、高精度的要求，这不仅仅因为模数转换器(Analog to Digital Converters ，简称为ADC)方面的制约因素，同时也有成本的因素和处理器的因素。 在解决多路同步采集方案中，传统的设计方法是基于FPGA+数字信号处理器 (Digital Signal Processing,简称为DSP)。图一描述了一种基于FPGA和DSP的并 行多路数据采集系统(参见王文武，曹治国等.基于FPGA和DSP的并行数据采集系 统的设计.微计算机信息，2004， 20(11): 68， 69， 36)。多路模拟信号通过阻 抗匹配电路11后，由FPGA13控制ADC转换电路12把模拟信号转换为数字信号， 转换后的数据经过缓冲后，由DSP14通过数据总线读取数据并进行相应处理，处理 后的数据送到上位机15显示。该系统采用FPGA实现控制，用DSP实现信号处理， 这不仅使得系统需要同时采用FPGA和DSP，同时系统传输速率受FPGA电路板和DSP 电路板之间连接的影响。采用随机存取存储器(Random Access Memory,简称为RAM) 作为数据存储介质，而FPGA的内部RAM资源很有限，这就限制了数据传输速率。 在系统扩展的时候，由于DSP上的资源不能够随意改变使得系统的调整和扩展受到 一定的限制。
技术实现思路
3本专利技术的目的就是要克服上述数据采集系统的不足，提供一种基于现场可编程 门阵列的多路并行数据采集系统，本专利技术应有效地解决ADC转换和处理过程中对CPU 资源长期占用的矛盾，具有结构简单、数据的快速读取和存储的特点。本专利技术的技术解决方案如下一种基于现场可编程门阵列的多路并行数据采集系统，该系统的构成由模拟调理模块、ADC模块、电源模块、按键、通用串行总线(Universal Serial BUS ，简 称为USB)， FPGA芯片、联合测试调试接口 (Joint Test Action Group ，简称为 JTAG)、增强型串行配置器件(Enhanced Configuration Devices Serial,简称为 EPCS)、同步动态随机存储器(Synchronous Dynamic Random Access Memory ，简 称为SDRAM存储器)、静态随机存储器(Static Random Access Memory ，简称为 SRAM存储器)、Flash存储器和上位机构成;所述的FPGA芯片的内部组成包括:NiosII 处理器、Avalon总线、按键控制核、JTAG控制核、EPCS控制核、SDRAM控制核、三 态总线、USB控制核、DMA控制核、ADC控制模块，所述的USB实现FPGA芯片与上 位机之间的通信；所述的外围设备SDRAM存储器、JTAG、 EPCS分别通过各自的控制 核连接到FPGA芯片内部的Avalon总线上，SRAM存储器、Flash存储器通过三态总 线连接到Avalon总线上；所述的电源模块为上述所有的设备提供电源；所述的按键 启动本系统进入工作状态，需要采集的模拟信号经过所述的模拟调理模块，调节模 拟信号的电压幅度至ADC模块接受的范围内，调理后的模拟信号经ADC模块转换为 并行的16位数字信号，进入FPGA芯片，通过FPGA芯片内的DMA控制核把数据直接 存储到所述的SDRAM中，SDRAM中的数据经过FPGA芯片处理后，通过USB传输至所 述的上位机显示。所述的模拟调理模块由64个相同的子调理电路组成。所述的ADC模块由8片16位的ADC芯片构成，每片ADC芯片可实现8路16位 数据同步采集和转换，所述的ADC控制模块由8个ADC控制核构成，每个控制核用 于驱动一片ADC芯片，所述的DMA控制模块相应的由8个DMA控制核构成。所述的USB为最高传输速率可达480Mbps的USB2. 0。本专利技术系统中的电路板采用底层版+核心板的结构，所述的底层版集成所述的 模拟调理模块、ADC模块、电源模块、按键、USB;所述的核心板集成FPGA芯片、 JTAG、 EPCS、 SDRAM、 SRAM、 Flash存储器；所述的底层版与核心板之间通过三排插 座和插针互相连接在一起。本系统利用S0PC设计方法进行软硬件开发，其设计流程如图3 ，设计总共分 为三大块硬件系统开发工具SOPC Builder中的硬件设计，NiosII集成开发环境(Integrated Development Environment,简称为IDE)中的软件设计，QuartusII中进行逻辑综合布局布线。通过SOPCBuilder系统开发工具提供的直观的向导驱动图形 用户界面，配置处理器，选择与配置外部设备控制核，分配地址、中断，通过Avalon 总线将它们连接起来创建所需的硬件系统。在QuartusII中调用创建的硬件系统，根 据电路板布局给硬件系统中的各个模块分配FPGA芯片上的管脚，编写测试文件和 用户设计的其他硬件描述语言(Hardware Description Language,简称为HDL)文 件，对硬件系统进行逻辑综合、布局布线和仿真生成硬件配置文件。在软件设计中， 调用各个外部设备驱动头文件和库，基于可剥夺内核的实时操作系统进行多任务调 度，使处理器能即时响应各个任务，编译调试后生成可执行代码。最后把硬件配置 文件和可执行代码通过下载线下载至电路板中进行片上调试。 本专利技术的技术效果如下1、 通过FPGA控制8片ADC实现了 64路模拟信号的同步采集，采集到的数据通 过FPGA内部的DMA控制核实现了数据的快速读取和存储，同时可以有效地解决ADC 转换和处理过程中对CPU资源长期占用的矛盾。2、 采用Altera推出的SOPC设计方法，在一片FPGA上实现了多路数据的并行 采集。3、 FPGA芯片上的管脚和存储资源可根据设计方案进行自由分配，具有很大的 灵活性。4、 软件设计中，采用基于实时操作系统的任务调度设计方法，增强了系统的实 时性。5、 通过USB与上位机通信，数据传输速率可达192Mbps，使得系统能应用于高 速数据采集系统中。6、 设计了底层版+核心板的结构，核心板适用于不同的底层版，方便系统更新 和扩展。附图说明图1为现有基于FPGA和DSP的多路信号采集系统结构示意图 图2是本专利技术基于FPGA的多路同步采集系统结构示意图 图3为系统软硬件设计流程本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于现场可编程门阵列的多路并行数据采集系统，特征在于该系统由模拟调理模块（２１）、ＡＤＣ模块（２２）、电源模块（２４）、按键（２５）、ＵＳＢ（２１１），ＦＰＧＡ芯片（２３）、ＪＴＡＧ（２６）、ＥＰＣＳ（２７）、ＳＤＲＡＭ存储器（２８）、ＳＲＡＭ存储器（２９）、Ｆｌａｓｈ存储器（２１０）和上位机（２１２）构成；所述的ＦＰＧＡ芯片的内部组成包括：ＮｉｏｓⅡ处理器（２３１）、Ａｖａｌｏｎ总线（２３２）、按键控制核（２３３）、ＪＴＡＧ控制核（２３４）、ＥＰＣＳ控制核（２３５）、ＳＤＲＡＭ控制核（２３６）、三态总线（２３７）、ＵＳＢ控制核（２３８）、ＤＭＡ控制模块（２３１０）、ＡＤＣ控制模块（２３１１），所述的ＵＳＢ（２１１）实现ＦＰＧＡ芯片（２３）与上位机（２１２）之间的通信；所述的外围设备ＳＤＲＡＭ存储器（２８）、ＪＴＡＧ（２６）、ＥＰＣＳ（２７）分别通过各自的控制核连接到ＦＰＧＡ芯片（２３）内部的Ａｖａｌｏｎ总线上，ＳＲＡＭ存储器（２９）、Ｆｌａｓｈ存储器（２１０）通过三态总线（２３７）连接到Ａｖａｌｏｎ总线上；所述的电源模块（２４）为上述所有的设备提供电源；所述的按键（２５）启动本系统进入工作状态，需要采集的模拟信号经过所述的模拟调理模块（２１），调节模拟信号的电压幅度至ＡＤＣ模块（２２）接受的范围内，调理后的模拟信号经ＡＤＣ模块（２２）转换为并行的１６位数字信号，进入ＦＰＧＡ芯片（２３），通过ＦＰＧＡ芯片内的ＤＭＡ控制核把数据直接存储到所述的ＳＤＲＡＭ存储器（２８）中，ＳＤＲＡＭ存储器（２８）中的数据经过ＦＰＧＡ芯片（２３）处理后，通过ＵＳＢ（２１１）传输至所述的上位机（２１２）显示。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王向伟，陈卫标，贺岩，尚建华，
申请(专利权)人：王向伟，陈卫标，贺岩，尚建华，
类型：发明
国别省市：31
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