《基于FPGA的多通道数据采集系统的设计》
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[摘 要]近年来,随着国内航空事业的高速发展,现代空情变得日益复杂,航管雷达目标数据和地空话音通信数据作为航空空情数据保存以及事故分析的主要手段,在空管自动化系统中发挥越来越重要的作用?其记录系统运行的稳定性?数据记录和回放的真实性是重要空情重演?异常事故分析准确可靠的关键因素?在航管系统应用中,记录重演系统往往具有数据量大?记录通道多,数据的可靠性?实时性以及设备模块化要求高,并且要求长时间持续不断地进行记录和处理?鉴于此,本文就FPGA的多通道数据采集系统的设计展开探讨,以前为相关工作起到参考作用?
[关键词]数据采集 信号处理 FPGA 电路设计
中图分类号：TN710 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）01-0192-01
1?概述
数据采集,是指将采集到的数据进行传输?处理?存储及显示等的操作设备,数据采集系统是数据采集结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的?用户自定义的测量系统?目前被广泛应用于航空航天?交通运输?电子测量?雷达等领域?国内数据采集系统,受超高速率?超大数据量以及钟同步等重要指标制约?传统的设计形式存在一次只采集一路數据且传输距离较短?容易丢包等缺陷,已经远远不能满足实际工程应用的需要?
另一方面,从设计的角度考虑,因为同时采集并传输多路数据要兼顾准确性和速度等众多因素,所以必须采用新的设计思路与方法来实现,以保证数据采集的稳定性和可靠性?FPGA（Field-ProgrammableGateArray）,即现场可编程门阵列,它是在PAL?GAL?CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物?它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半电路而出现的,既解决了电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点,在提高系统稳定性,减少设备体积上有较好的效果?数据采集的关键技术之一是数据预处理,剔除异常值及提取特征值,可以有效地减少数据存储量,本文以Cyclone公司的EP2C35F484I8为主控芯片,数据输入接口采用异步422总线,数据输出采用88E1111千兆网PHY芯片,采用多路数据循环控制算法,实现了对多路图像数据的实时采集与传输?
2?系统总体结构
系统总体的设计目标是实现多路数据同时进入FPGA控制模块后,不会出现数据的冲突,数据覆盖和数据丢失?通过控制模块,将每一路数据循环有序的通过以太网口发送给上位机?根据实际工程项目的需求,设计多通道图像数据采集,每一路数据源为H.264压缩图像数据,每帧数据大小为600kByte,采用异步422总线传输,多通道数据采集系统接收每一路图像数据后存入FPGA中FIFO进行数据缓存和等待调度,最后再通过千兆以太网口发送给上位机显示每一路相机的图像?
3?系统硬件设计
3.1 MAX197芯片介绍
MAX197是Maxim公司推出的具有12位测量精度和多量程（±10V?±5V?0～10V?0～5V）的高速A/D转换芯片,转换时间为6μs,采用+5V单电源供电,具有8路输入通道,提供并行接口-8位三态数据I/O口?
3.2 MAX197的控制
MAX197芯片的控制字节的写入和数据的读出都是由8位并行接口实现?FPGA可以将MAX197芯片作为一个I/O来寻址,使用方便?MAX197芯片进行数据采集转换前需要先对其进行初始化,通过设置控制寄存器,确定其采样转换的通道?量程和极性等?
接口电路MAX197是一种通用A/D芯片,可以与多种微机接口配合?对于本文选用的FPGA芯片,FPGA的D1～D8与MAX197的D0～D7相连,既用于输入MAX197的控制字,也用于读取转换结果数据?FPGA的E1～E5分别连接MAX197的INT?HBEN?RD?WR?CS引脚?INT为转换识别信号,当数据转换完毕时INT脚产生中断信号；HBEN为12位数据,高4位或低8位有效控制位,高电平时高4位数据有效,低电平时低8位数据有效；RD为读信号控制；WR为写信号控制；CS为片选控制?选择MAX197为低功耗工作方式,故置MAX197的SHDN脚为高电平；采用内部时钟模式,CLK脚接100pF电容,时钟频率为2MHz；芯片采用内部基准电压,故REF?REFAD通过电容器接地,设计接口电路如图1所示?
4?软件设计
系统主程序的主要功能就是控制电机转速及采集编码器的角度数据,对编码器的角度数据进行采集、计算、显示及与计算机通信.系统上电初始化完毕之后,等待检测开始命令.开始检测时,首先FPGA控制电机以指定速度带动编码器转动,采集被检编码器角速度曲线,通过二进制灯排显示角度信息,通过计算判断是否出现误码,并在液晶显示屏上显示出误码信息.此外,可以选择将采集的数据通过串口通信传输到上位机进行进一步分析,检测完毕后等待下一次转换命令.FPGA软件设计流程如图2所示.数据采集软件模块工作时,FPGA芯片根据光电编码器数据发送协议读入编码器输出的数据,并存储为y（t-1）；然后FPGA内部产生延迟计数,本设计中延迟时间为t等于5ms；延迟结束后,再一次读入光电编码器数据并存储为y（t）；最后,将两次数据做差,系统对编码器数据的微分值做滤波处理、过零点消除等操作后传输到液晶屏上显示.
结束语
文章设计的多路数据采集系统以FPGA.作为时序逻辑控制和数据处理的核心,最终实现了系统的硬件电路和软件控制程序,完成了对多路传感器数据的采集和存储?在设计的过程中,系统硬件电路和软件程序的编写均采用模块化设计,方便移植?该数据采集系统运行稳定?可靠,具有一定的工程实用价值?
参考文献：
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数据采集引用文献:
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