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数据采集是人们获取信息的基本手段,它主要是通过数据采集系统来实现的,为了从采集得到的数据中完全恢复出被采集信号的特征,就要尽可能的提高采样速率和采样精度。计算机技术和芯片制造工艺的飞速发展为人们利用现代数字信号处理技术高速、大量的处理信息提供了有效的手段,并对实现高速数据采集提供了可行性。目前高速数据采集已经广泛应用到现代航空、军事、电力、医疗等方面,其应用领域还在不断扩大。
高速数据采集和传输需要高速的ADC采集芯片和快速的传输速度,里面还涉及到数据缓存、控制等问题,如何在现有条件下实现高速数据采集与传输,成为现在研究的热门话题。FPGA凭借其灵活性、适应性和可重构性使其在高速数据采集方面得到越来越广泛的应用。本文设计了一种基于FPGA+高速ADC+USB2.0的高速数据采集系统,采集后的数据通过USB2.0传输到上位机进行后续处理,系统以USB2.0-CY7C68013为主控器,向FPGA发送采集命令,由FPGA控制ADC完成数据采集。
论文提出了高速数据采集系统的实现方案,主要分为硬件设计、软件设计和系统调试及性能测试三大部分。
硬件设计中主要包括信号调理电路、A/D采样电路、FPGA电路、USB2.0控制器电路、存储电路和电源电路的设计。信号调理电路采用AD8138和AD8370对输入的模拟信号进行放大、滤波等处理;采样电路中AD9460负责对调理后的模拟信号进行A/D变换,采样精度为16位;FPGA电路负责系统的采集控制,其外围电路主要包括时钟电路和配置电路;USB2.0控制器电路负责对FPGA发送采集命令,采集结束之后工作在从属FIFO模式,负责将采集到的数据上传到上位机;存储电路负责采集数据的缓存;电源电路负责为系统中各个芯片提供稳定的工作电压,保证系统的正常运行。
软件设计包括FPGA程序设计和CY7C68013固件程序设计。FPGA程序设计采用QuartusⅡ的图形化设计,主要包括时钟模块、数据缓存模块、缓存速度控制模块和数据输出模块的设计,并对主要模块进行了仿真分析;CY7C68013固件程序以其固件程序框架为基础,添加所需控制命令函数完成。
系统调试及性能测试部分主要讲述系统的调试过程以及测试结果。硬件调试中主要介绍各硬件电路调试过程中遇到的问题;软件调试主要讲述了系统固件程序的调试步骤。最后对系统进行整体性能测试及误差分析,为下一步的工作奠定基础。
最后,对本课题所作的工作进行了总结,对今后需要改进的地方做出了说明。