第23卷第1期湖南理工学院学报(自然科学版Vol.23No.12010年3月JournalofHunanInstituteofScienceandTechnology(NaturalSciencesMar.2010基于FPGA和USB接口的高速高精度通用数据采集卡设计万军华,张国云,罗荣辉,王志伟,刘立军,何彪胜(湖南理工学院信息与通讯工程学院,湖南岳阳414006摘要:讨论了一类基于FPGA和USB接口的高速高精度通用数据采集卡的设计方法,该方法充分发挥了FPGA和USB的优点,解决了传统数据采集卡的缺陷.关键词:FPGA;USB接口;通用数据采集卡;信号调理中图分类号:TP274文献标识码:A文章编号:1672-5298(201001-0045-04DesignofUniversalDataAcquisitionCardofHighSpeedandAccuracyBasedonFPGAandUSBInterfaceWANJun-hua,ZHANGGuo-yun,LUORong-hui,WANGZhi-wei,LIULi-jun,HEBiao-sheng(CollegeofInformation&CommunicationEngineering,HunanInstituteofTechnology,Yueyang414006,ChinaAbstract:ThepaperstudiesthemethodaboutdesignofuniversaldataacquisitioncardofhighspeedandaccuracybasedonFPGAandUSBinterface.ThemethodexertsvirtuesofFPGAandUSB,anditresolveslimitationoftraditionaldataacquisitioncard.Keywords:FPGA;USBinterface;universaldataacquisitioncard;signalmodulate随着现代工业生产和科学研究的发展,对数字信号的处理越来越频繁,而进行数字处理的先决条件是将所研究的对象数字化,因此数据采集日益得到重视,对数据采集的要求日益提高.实际上,在瞬态信号测量、图像信号处理等一些高速、高精度的测量中,都迫切需要进行高速数据采集;在图像信号处理、瞬态信号检测、工业过程检测和监控等领域,更是要求高速度、高精度、高实时性的数据采集.现在通用的高速数据采集卡一般多是PCI卡、ISA卡和USB卡,其中PCI卡和ISA卡存在以下缺点:安装麻烦、价格昂贵;受计算机插槽数量、地址、中断资源限制,可扩展性差;在一些电磁干扰性强的测试现场,无法专门对其做电磁屏蔽,导致采集的数据失真.目前市场上采样频率在10~20ms/s的USB接口卡非常少,且基本上都存在着通用性不强、不带计数器电路、I/O数量少、精度不高等缺点.早期数据采集卡多数是基于CPLD设计的,这种情况下数据的采样速度和采样精度都不是很高.而基于FPGA设计,可以较大地提高数据的采样速度和精度.基于以上原因,本文讨论了一类基于FPGA和USB接口的高速高精度通用数据采集卡的研制方法,该方法充分发挥了FPGA和USB的优点,解决了传统数据采集卡的缺陷,弥补了当前市场上该类产品的不足.1系统硬件设计该系统主要由信号调理模块、14位A/D转换器ADS805模块、基于FPGA的主控模块、USB收发控制模块、片外存储器及其他辅助电路组成,其数据的采样率可高达20Msps;适用于较高速动态信号的实时记录和采集,其硬件系统总体结构框图如图1所示.收稿日期:2009-10-18基金项目:湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目作者简介:万军华(1969−,男,湖南岳阳人,湖南理工学院信息与通讯工程学院副教授.主要研究方向:工业自动化技术46湖南理工学院学报(自然科学版第23卷调理电路与A/D数字信号.处理后的数据送往FPGA主控模块,根据相关的控制信息,通过选择先存储在外部SRAM,然后经过相关的数字处理后再传输给上位机.转换器,将传感器采集的模拟信号进行相关的信号调理后送入ADS805芯片转换为2系统模块介绍2.1A/D转换模块及外围电路图1硬件总体框架图在数据采集过程中可能超过A/D,信号的变化幅度比较大,如果放大,那么放大后的信号幅值很有的转换量程.所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益.因此在信号调理端使用美D603.模数转换芯片采用ADS805,该芯片是美国德州仪器公司推出的一种12位采用单一的增益国ADI公司的可程控放大器A的采样频率为20MHZ的高动态范围的模数转换芯片.2.2主控FPGA芯片FPGA芯片是一种特殊的ASIC芯片,属于可编程逻辑器件,它是在PAL、GAL等逻辑器件的基础上发展起来的.同以往的PAL、GAL等相比,FPGA规模比较大,适合于时序、组合等逻辑电路应用.本文选用A1tera公司的FPGA芯片EP2C8Q208,完成数据采集卡的时序和地址译码电路设计.A/D采样控制信号通过FPGA控制;对采集后的数据作进一步处理,以提高精度,有两种方式:一...