毕业设计论文基于FPGA的多路信号采集器设计.doc
《毕业设计论文基于FPGA的多路信号采集器设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计论文基于FPGA的多路信号采集器设计.doc(53页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书(毕业论文)题 目:基于FPGA的多路信号采集器设计学生姓名:学 号:0605112306专 业:测控技术与仪器班 级:测控2006-3班指导教师:48基于FPGA的多路信号采器设计摘 要信号采集器是信号和和控制器之间枢纽,采集信号质量的高低,速度的快慢将严重影响到控制质量。然而,自然中的信号各种各样,环境复杂,并且控制器对信号的要求亦各不相同,这些都使得信号采集一直以来都是技术难点。本文试图设计一种多路的基于FPGA的信号采集器。与传统的数据采集器以单片机或DSP作为控制器相比,FPGA具有集成度高、逻辑实现能力强、速
2、度快、设计灵活性好等众多优点,尤其在并行信号处理能力方面比DSP更具优势。在信号处理领域,经常需要对多路信号进行采集和实时处理,这亦是本文的目标。本文首先介绍了信号采集技术的最新动态,然后比较传统的器件提出系统的总体方案设计。在硬件方面,介绍了传感器、测量通道、FPGA芯片的结构原理和性能。数据处理的软件设计以Quartus为软件平台,采用VHDL作为编程语言和自顶向下的设计思想。本设计大部功能通过软件仿真得到了方案要求的结果,其中数字通道在实际电路中得到了验证。 关键词:多路信号采集;FPGA;A/D转换;VHDLThe Design of Muti-channel Signal Colle
3、ctor based on FPGAAbstractSignal acquisition is the hub between the signal and the controller, The quality of the signal collected and the speed will seriously affect the quality control.But, there are various signal in nature, complex environment, and demanding control of the signal varies, All mak
4、es signal acquisition has been the technical difficulties.This paper attempts to design a multi、FPGA-based signal acquisition device. With traditional data acquisition system to a microcontroller or DSP as a controller, FPGA has high integration, the strong ability to achieve logic,fast and good des
5、ign flexibility and so on. Especially in the parallel signal processing advantages than the DSP. In signal processing, often require multiple signal acquisition and real-time processing, this is also the goal of this articleFirst, this paper introduces the latest data acquisition technology, then ma
6、ke the device more traditional design of the overall system. In terms of hardware, introduced the principle and performance of the structure of sensor, measuring channel, FPGA chip. Data processing design for the software platform Quartus,Use of VHDL as a programming language and top-down design.Mos
7、t functions in the software simulation program requirements on the results obtained, digital channels in the actual circuit which has been verified.Key words: multi-channel signal acquisition;FPGA;A/D converter;VHDL目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 引言11.1 系统设计背景11.1.1 研究目的和意义11.1.2 国内外研究现状21.2 系统工作原理31.3 课
8、题任务31.4 论文安排4第2章 多路信号采集器的总体设计52.1 系统总体方案52.1.1 系统分析52.1.2 理论知识62.2 系统结构框图7第3章 硬件设计93.1 控制器93.1.1 FPGA结构原理93.1.2 Altera公司的FLEX10K103.2 传感器113.2.1 传感器的分类113.2.2 传感器的选用原则123.2.3 传感器选型143.3 测量通道183.3.1 测量通道的选择183.3.2 调理电路193.3.3多路模拟开关203.3.4 采样保持器213.3.5 A/D转换模块223.4 显示模块233.4.1 LCD1602简介243.4.2 LCD1602
9、主要技术参数和引脚243.5 UART通信模块253.6 时钟电路27第4章 软件设计284.1 编程语言VHDL284.1.1 VHDL简介284.1.2 开发软件Quartus294.2 程序设计304.2.1 系统总程序304.2.2 CD4051地址译码程序314.2.2 TLC5510转换程序314.2.3 LCD1602显示程序324.2.4 读DS18B20温度传感器344.2.5 与PC机通信程序35第5章 调试及总结385.1 系统调试385.2 总结39参考文献41附录 A 系统电路原理图43附录 B 模拟开关控制程序44附录 C 26分频程序46附录 D UART通信程序
10、47致 谢48第1章 引言1.1 系统设计背景1.1.1 研究目的和意义(1)数据采集系统是计算机测控系统中不可或缺的组成部分,是影响测控系统的精度等性能指标的关键因素之一,常用数据采集方案是以微处理器为核心控制多个通道的信号采集、预处理、存储和传输,即用软件实现数据的采集,这在一定程度上局限了数据采集的速度、效率及时序的精确控制。20世纪80年代起步的FPGA(Field Programmable Gate Array),现场可编程门阵列)技术近年来发展非常迅速,并广泛应用于通信、自动控制、仪器仪表、信息处理等诸多领域1。现在的FPGA器件具有高集成度、高时钟频率、时序控制精确、编程灵活等明
11、显优于普通微处理器的特点,因此系统如果采用FPGA为核心控制ADC和数据传输,这样可达到预期要求,并简化外围电路,降低设计风险,缩短开发周期2。FPGA的出现是超大规模集成电路(VLSI)技术和计算机辅助设计(CAD)技术飞速发展的结果。FPGA器件集成度高、体积小,具有用户可编程实现专门应用的功能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台,经过设计输入、仿真、测试和验证,实现预期的结果。况且FPGA是近几年集成电路中发展最快的产品。随着可编程逻辑器件的高速发展,可编程逻辑器件将进一步扩大其领地。据IC Insights的数据显示,可编程逻辑器件市场从1999年的29亿美元增长到2004的56
12、亿美元,几乎翻了一番。可编程逻辑器件将继续向着更高密度和更大容量方向迈进1。(2)与传统的数据采集器采用的是基于单片机或者DSP作为控制器, FPGA在抗干扰和速度上有很大优势。其特点如下: 1、FPGA运行速度快。FPGA内部集成锁项环,可以把外部时钟倍频,核心频率调到到几百MHz,而单片机运行速度低的多,尤其在高速场合,单片机无法代替FPGA。2、FPGA管脚多,容易实现大规模系统。单片机I/O口有限,而FPGA动辄数百I/O,可以方便连接外设。比如一个系统有多路ADC,单片机要进行仔细的资源分配,总线隔离,而FPGA由于丰富的I/O资源,可以很容易用不同I/O连接各外设。3、FPGA内部
13、程序并行运行,有处理更复杂功能的能力。单片机程序是串行执行的,执行完一条才能执行下一条,在处理突发事件时只能调用有限的中断资源,而FPGA不同逻辑可以并行执行,可以同时处理不同的任务,这就使得FPGA工作更有效率。4、FPGA有大量软核,可以方便进行二次开发。FPGA甚至包含单片机和DSP软核,并且I/O数仅受FPGA自身I/O限制,所以,FPGA又是单片机和DSP的超集,也就是说,单片机和DSP能实现的功能,FPGA一般都能实现。综上所述,基于FPGA的研究将会是继单片机后的又一个巨大产业,自然以FPGA作为处理器也将会有广阔的前景和重要意义。所以借做多路数据采集器的系统设计的机会,选择FP
14、GA作为控制器,并借此机会来系统地学习、学好FPGA。1.1.2 国内外研究现状对于信号采集器,在外围硬件电路上已经有了非常经典的且固定方案。然而近年来,其控制芯片由原来的单片机发展到数字处理芯片DSP,嵌入式芯片等速度更高功能更强的芯片。在高性能数据采集系统中,通常采用单片机或DSP(数字信号处理器)作为控制器,控制A/D(模数转换器)、存储器和其他外围电路的工作。然而相对高速且性能能良好的FPGA,则无论是单片机或是DSP都有一些不足。首先,单片机的时钟频率偏低,各种功能都要靠软件的运行来实现,软件的运行时间在整个的采样时间中占有很大的比重,因而效率偏低,难以满足高速数据采集系统的要求。而
15、DSP的运算速度快,擅长处理密集的乘加运算,但完成对外围的复杂硬件逻辑控制难度很大。以软件方式控制操作和运算的系统速度显然无法与纯硬件系统相比,因为软件是通过顺序执行指令的方式来完成控制和运算步骤的,而用HDL语言描述的系统以并行方式工作的。以对A/D进行数据采样控制为例,采样周期包括对A/D工作时序的控制和将每一次获得的数据存入RAM(或FIFO)中。工作于12MHz晶振频率的MCS-51系列单片机对A/D控制的采样频率为20KHz上下,即约每秒两万次。但若用FPGA中设计的状态机来完成同样的工作,如对于具有流水线采样工作时序的A/D来说,只需两个状态即可完成一次采样,状态间转换的时间仅为一
16、个时钟周期,而如果FPGA的工作频率是100MHz,则采样频率可达50MHz。这在算法方面同样具有巨大的优势。用FPGA实现32阶8位FIR滤波器的处理速度为105MSPS时,用DSP芯片实现的滤波器要达到相当速度,则需要指令执行速度为3360MIPS。然而目前还没有如此高速的单处理器的DSP芯片。由此可见,在一些DSP芯片不能满足数字信号处理要求的场合,可以采用FPGA来完成数字信号处理26。 目前在国际上,以FPGA芯片生产厂商为主的公司在基于FPGA设计信号处理算法的综合研究方面处于领先地位。而且由于FPGA芯片生产厂商对本厂生产芯片性能上的了解,设计的处理器可以最大限度的发挥芯片的性能
17、。例如Xilinx公司推出了140MHz时钟频率下处理速度达到1us的1024点FFT处理模块,其采用的是800万门VirtexII器件实现。Altera公2005司年推出的FFT IP核全面支持该公司的最新器件,使用此IP核计算16位1024点FFT仅需要6.63us。国内外学者在利用FPGA实现信号处理算法方面做了大量的工作,并取得了良好的效益。我国的FPGA技术起步相对较晚,但进入21世纪后,发展非常迅速。目前不少大学及研究所都使用FPGA芯片设计开发具有自主知识产权的IP核3。1.2 系统工作原理 根据国际电气和电子工程师学会IEEE(International Institute f
18、or Electrical and Electronic Engineers)的定义:嵌入式系统是控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置4。本设计系统属于一个过程控制的嵌入式系统,核心部件即微控制器采用FPGA,主要部件是测量通道和与PC机通信接口部件,基础部件有时钟电路和电源供给部分,还有就是显示可用方案 CRT、LCD、LED。工作原理:系统在软件的支持下通过FPGA的I/O口产生译码地址来控制多路模拟开关按一定的时间周期选通电路出入信号,并用周期更长的时钟来控制采样保持器和A/D转换器,以实现循环读入数据并且实时显示数据(该系统借助LCD),最后通过通用异步收发器UART(Univ
19、ersal Asynchronous Receiver Transmitter)往PC机实时存入数据,且要求历史数据可被查询。1.3 课题任务该数据采集器设计要求的基本性能如下:1)至少能采集三种以上不同传感器输出的信号,即温度传感器、压力传感器、液位传感器;2)调理传感器输出信号,使其幅值达到集成芯片能接受的值即15V或420mA;3)实现三通道同步循环采样,采样频率50HZ500HZ,采样精度8位;4)用LCD1602实时显示三路信号;5)利用UART实时存储采集数据。根据上述性能指标,整个系统的关键是控制芯片的设计。本设计所用的FPGA采用外部时钟源来提供系统工作时钟,晶振的时钟频率为4
20、MHz,在软件编程的基础上,对外部时钟进行分频产生不同的时钟信号,来分别控制各外部器件协调工作。那么采样保持选用的通用型器件LF398,其响应速度快精度高,A/D转换器则采用TLC5510高速转换器为8位输出,而数字信号则直接读入FPGA经处理输出到LCD1602上显示,并保存到上位机上。课题的主要工作为系统的软件设计和硬件设计两部分:软件设计主要完成模拟信号测量转换电路的时序控制和FPGA内数据预处理模块、数据采集模块、LCD显示模块、通信控制器模块的设计及仿真;硬件部分首先完成模拟信号采集电路和数字电路Protel原理图绘制,然后根据原理图选择合适器件并搭建电路,最后连接传感器和液晶显示器
21、下载程序进行调试。1.4 论文安排本论文采用三级目录格式撰写,共分为五章。具体内容安排:第1章引言,阐述了选题背景和意义,分析了国内外相关技术的发展动态及研究现状,并对本论文的主要工作进行了介绍。第2章,通过对信号采集和处理中涉及的信号、测量控制通道、通信接口等各部分综合分析,确定本系统的总体方案,并给出系统总体结构框图,为后续设计做准备。第3章,先简单介绍了FPGA的结构原理、设计技术,并对其选型和性能进行分析。然后详细介绍了多通道采样模块中信号调理电路、A/D转换电路、输入输出接口、显示模块,并详细介绍了所用到的主要器件性能。第4章,先对对系统软件开发平台和编程语言进行了介绍,后面详细介绍
22、了程序设计思想和设计流程,且配备了仿真结果。第5章,主要讲系统调试,记录了程序下载和调试的过程及结果,并作了简单分析。结论部分则是对整个论文的工作成果进行总结,也有设计本课题未完成的遗憾,并提出了进一步的展望。第2章 多路信号采集器的总体设计2.1 系统总体方案2.1.1 系统分析基于FPGA的多路信号采集器系统涉及的内容包括,信号的采集,数据的传输,数据的处理和存储,实时信息的显示。如前所述系统的工作流程为:首先要对多通道模拟信号进行模数转换,然后对其进行缓存处理和必要的转换,最后将处理后的结果传送到PC机。这需要结合各个模拟传感器输出的信号的特点和系统各项指标选择合适的调理电路、A/D转换
23、、信号处理器和显示模块等。前端模拟部分前人已做了大量的研究工作,技术比较成熟,方案比较固定,本节重点针对数字部分的方案进行讨论。1、信号处理器的选择在高性能数据采集系统中,传统方法多采用单片机或DSP(数字信号处理器)作为控制器,控制A/D转换、存储器和其他外围电路的工作。单片机的时钟频率较低,各种功能都要靠软件的运行来实现,软件运行时间在整个采样时间中占很大的比例,效率低,难以适应高速数据采集系统的要求。DSP虽然运算速度快,擅长处理密集的乘加运算,但很难完成外围的复杂硬件逻辑控制5。基于单片机和DSP设计的数据采集系统都有一定的不足,在高速数据采集方面,FPGA显示出两者无法比拟的优势。因
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 论文 基于 FPGA 信号 采集 设计
链接地址:https://www.31ppt.com/p-4863416.html