基于fpga的數據采集器-資料下載頁

【導讀】數據采集是獲取信息的基本手段。數據采集技術作為信息科學的一個重要分支，數據采集作為現代測控技術的基礎，己經廣泛應用于工業生產、科學研究的諸多。在工業生產中，應用數據采集系統可以得到工業現場的溫度、濕度、電壓、電。如何對信號進行實時采集、實時存儲，保證信號不丟失，以滿足工業現場的需要，一直是數據采集系統研究的一個重要方向。多樣，體積減小和使用方便等三個方面。國外在研制和使用數據采集系統方面發展迅。多以FPGA為平臺，但價格相對來說就不具有競爭力。成本較低的數據采集系統多以單。究主要著重于傳感器，高精度、高速度的傳感器層出不窮而且在價格上有了很大進步。同年惠普公司生產的HP34970A型數據采集器具有6／12位分辨率，0．004％。件人機界面有待改進④設備的性能與成本的協調還缺乏一定的優勢。北京測振儀器廠2020年研制的Hz．9609數據采集器／振動分。障診斷的得力助手。用FPGA來完成設計。介于成本的考慮，我們采用低成本的EPM1270144來完成本次設計。

　　

【正文】 究的方向。 圖 頂層設計綜合結果 本章小結 本章完成了對 FPGA 各模塊包括頂層設計的綜合仿真，并將各模塊連同頂層模塊下載測試。分析了仿真結果和測試結果，并且利用串口調試軟件對串口進行了調試。 28 系統實現 在完成系統的硬件電路設計和軟件設計，并 在仿真，調試正確后就可以進行投板制作了。通過前面硬件電路設計做出的電路板并焊好相應的芯片與元器件，得到的系統版實物圖如下圖所示： 圖 系統板實物圖 焊好電路板以后，利用研發室相關的儀器對信號電路進行相應的測試，主要利用的儀器有示波器，數字萬用表， ACDC7V 穩壓電源等。 在系統上電之前，要進行最基本的檢測，檢查是否存在有虛焊、電路等情況。確保系統在接上電源后，系統各部分供電正常。 硬件電路在焊接無誤的情況下，在系統上電后，使用數字萬用表以及示波器檢測芯片各引腳信號的準確性，檢查電源輸入插口，電 壓轉換芯片 MAX232 以及 FPGA各引腳的電壓。利用數字示波器監測 50MHz 晶振源的輸出是否正常。通過檢測后發現， MAX232 芯片輸出異常。后來經過反復檢查發現， MAX232 的供電電路的三極管被接錯，下拉電阻焊錯。將上述兩處錯誤糾正后，再次檢查無誤。在系統各項硬件檢查無誤后，編寫簡易的系統檢測代碼，檢查 FPGA 芯片是否能夠正常工作。經過測試， FPGA 功能良好。 29 數據采集結果與分析 為了方便測試，首先進行溫度采集測試。通過 Altera 數據手冊提供的關于Quartusll JTAG 配置步驟將編譯并且仿真 好的程序代碼文件通過 JTAG 接口燒寫進FPGA 的 SRAM 中．這里不是先將程序燒寫迸配置芯片 EPCS4，目的是為了防止程序不能達到預期的目的時，方便在線調試（ CPLD 具有帶電擦寫功能，因此 CPLD 同樣具備此優勢）。 FPGA 的優點就是更改程序代碼后可以實時地下載給 FPGA 觀察運行情況。通過觀察我們發現，我們采集得到的溫度與室溫（ 25 攝氏度）存在偏差。經反復分析，我們發現 AD7416 的貼片式溫度傳感器，它所測得的溫度，受開發板影響非常大。或者說，它所監測的溫度實際上是開發板表面溫度。由于系統 PCB 板鋪設了大量的銅箔用來接地（以減小電源 EMI 對芯片影響），銅箔是熱的良導體，因此 PCB 板的溫度低于室溫。將手貼近 AD7416，我們發現溫度會很快上升（通過 LED 監測）。因此溫度監測結果正確。 隨后進行了電壓采集測試。將仿真好的程序代碼文件下載到 FPGA,將萬用表接到電位器有效端，調節電位器，觀察萬用表測量值與系統采樣值是否相同。經過測試發現，萬用表測量值與系統采樣電壓值基本相同，但系統采樣頻率響應比較慢，影響了數據的采樣輸出，但是采樣的結果是正確的。 圖 系統采樣結果 最后進行了整系統綜合測試。測試結果良好 ，基本達到要求。 在完成硬件及軟件的設計和調試之后，本節介紹了最后系統的實現，并完成實際的應用和測量，得出了相應的數據采集結果，最后對采集的結果進行了詳細的分析。分析結果顯示，系統工作正常，采樣結果基本正確。 30 論文總結 為了實現本設計數據采集和控制單元的低成本，高性能以及小型化設計，本設計結合工業應用的實際需求和工作環境的要求，研究了溫度采集和異步串行通訊的原理，并采用了現場可編程門陣列 FPGA 作為主控芯片（系統硬件實現采用復雜可編程器件 CPLD）。首先經過 FPGA 的模塊設計，并對軟件進行了仿真，在仿真平臺上實現了預期的溫度、電壓采集和異步串行通信的目標。仿真通過后，經過實際的調研，器件的選擇，電路的規劃，硬件電路的設計最后到制板，焊接電路。最后完成實際電路實現，通過采集的結果和系統板的運行情況表明，所設計的系統能夠滿足本課題的要求，由于時間的限制以及本人水平限制，在此并沒有完成對系統的優化和串行通信顯示調試，由于系統在設計初已經規劃好各芯片引腳，后續的工作只需要在 FPGA 軟件上增加控制模塊，也就是只需在軟件上進行擴展而不需要進行硬件方面的改動。經過整個設計過 程，可以總結出以下幾點結論： (1) 溫度采集的芯片利用了 AD7416 溫度傳感器，此芯片的體積很小，并且成本低，也適合移動和放置，這樣就可以節約很多空間以及成本。其精度為 攝氏度，符合本課題的設計需求。 (2) 采用 FPGA 作為主控芯片，滿足了設計之初所想要達到的低成本，高性能和小型化的目的。 (3) FPGA 的配置方式使得系統軟件可以在線修改，這樣的好處就是可以對整個系統重新進行配置或者進行功能拓展，如果在將來有些需要增加的功能就不需要進行硬件方面的改動，只需要軟件修改即可。 (4) 上位機界面控制軟件使用的是基于 VC 設計的串口調試工具，調試過程簡單方便，測試結果可靠。 (5) 通過 節的分析我們知道目前系統 占用了比較多的 IO 口，而底層的邏輯門電路則占用了 87%。這表明我們的設計還存在著缺陷，還有更多的工作需要在本次論文外完成。 本設計目前完成的任務是完成對溫度采集芯片 AD7416 的以及數模轉換芯片ADC0809 的調試。并利用它們對系統溫度值和電壓值進行采樣，經過一定處理后，通過 LCD12232 顯示采樣值。設計異步串行通信模塊，實現 FPGA 與上位機的通訊。雖然系統的功能已經初步實現，但是不可否認的是，本次設計的成品與最初的咪表尚還存 31 在一定的差距。部分模塊的任務還需要進步的改善。由于經驗的缺失以及水平限制，系統在 IO 口使用率和 FPGA 資源占有率上有很大不足。在系統速率和穩定性方面仍需改進。 本次設計，基于 FPGA 的采集系統控制，針對系統內外不同的對象同時進行監控，兼顧了系統的內在與外在因素，并且能夠實現與 PC 的通訊。由于 FPGA 存在的軟件修改優勢，可以在對硬件電路做出極小改動的情況下完成新的設計，因此本系統在工業上具備一定的使用價值。展望未來， 新的模塊，新的功能需要在未來的研究中進一步發掘出來。并且隨著科技的發展，新傳感器的發明，新技術的應用，在數據采集控制上，也一定會有新的創新出現。因此本次設計存在著相當的前景。在接下來的時間里，作者將會對系統做出相應的改進，使設計更加可靠，穩定。 32 參考文獻 [1].馬明建 .數據采集與處理技術 [M].武漢大學出版社 . [2].邵高平等 .高速全波列數據采集系統的設計 [J].微計算機信息， 1998年第四卷 01期 6870. [3]. Wang Lixin， Song Wei， Lu Chao． Implementation of hi29h speed real time data acquisition and transfer system[C]． 4th IEEE Conference on Digital Industrial Electronics and Applications， 2020： 382386． [4]. Li Shuqing， Wang Guanya． The Data Acquisition and Analysis System of Grating Geophone Based on FPGA[C]． Proceedings of the IEEE， International Conference on Automation and Logisfics， Jinan， China， 2020： 13781381． [5].褚建平，亓夫軍等．基于 FPGA的線陣 CCD數據采集系統 [J]．電子設計應用， 2020年 08期 4547． [6].徐海軍，葉衛東． FPGA在高性能數據采集系統中的應用 [J]．計算機技術與應用， 2020年第 25卷第 l期 4043． [7].徐鈞．基于 USB和 FPGA技術的高性能數據采集系統設計與實現 [D]．南京理工大學． [8].唐洪亮 .基于 AD7416多點溫度測量系統的實現 [J].湖北第二師范學院二學報， 2020年第 27卷第二期 8083. [9].張紅娜胡榮強胡合松 .基于 FPGA的液晶顯示接口設計 [J].世界電子元件 2020年第 8卷 5658. [10].潘松黃繼業 .EDA技術使用教程 [m].科學出版社 2020. [11].ALTERA Cyclone EP1C3T144 使用說明書 . [12].張志利 .基于 RS232協議的單片 機多級通信網絡研究 [J].自動化技術與應用 2020年第 28 卷 第 4期 5455. [13].黃智偉 .FPGA系統設計與實踐 [M].北京電子工業出版社， 2020. [14].嚴天峰 .AD7416數字溫度傳感器及其應用 [J]. 電子世界 ,2020年第六期 3435. [15].王峰，鄧銳 .I2C總線從器件接口的 FPGA實現 [J].計算機與網絡， 2020年第四期 208209. [16].韓佩富 ,潘鋒 ,趙新秋 .基于 VHDL的異步串行通信電路設計 [J].微電子技術， 2020年第 31卷第 4期 1618. [17].MAXIM +5VPowered, Multichannel RS232 Drivers/Receivers,194323,Rev 7b,11/97. [18].李海平 ,孔祥成 . FPGA的 UART設計和實現 [J]. 中國科學院研究生院學報 ， 2020年第 27卷 第 2期 3337. 33 致謝 經過半年的忙碌和工作，本次畢業設計已經接近尾聲 。 作為一個本科生，由于經驗的匱乏， 在設計中存在著 許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及一起 學習 的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。 在這里首先 我 要感謝我的導師 柴明鋼 老師。 雖然柴 老師平日里工作繁多，但是 在我做畢業設計的每個階段，從 選題 到查閱資料， 從 設計草案的確定和修改 、 中期檢查 、 后期詳細設計 到 裝配草圖等整個過程都給予了我悉心的指導。我的設計較為復雜煩瑣，但是 柴 老師仍然細心地糾正 設計 中的錯誤。除了敬佩 柴 老師 深厚 的專業水平外，他 那 治學嚴謹 、 科學研究的精神 和那做事認真、負責的態度都 是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。 其次 我 要感謝 我在校外的指導老師劉招蒙工程師，感謝他在硬件電路設計制作及分析上給我的幫助。相信沒有他 悉心的指導在硬件設計上，我的工作也不會如此順利。 最 后 我 還要感謝大學四年來所有 教育過我 的老師 和同學 ， 感謝老師 為我打下 了電子 專業 方面 的基礎；感謝所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵 ，此次 畢業設計才 能 順利完成。 最后 我要 感謝 測光 學院和我的母校 — 南昌航空 大學 ， 四年來對我的大力栽培。