基于FPGA的高速数据采集系统实现

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目录

一、理论基础

二、核心程序

2.1锁存器模块

2.2双口地址计数器模块

2.3双口RAM模块

2.4时钟分频模块

三、测试结果

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一、理论基础

       高速数据采集在军用民用领域都有着广泛的应用。高速数据采集系统在自动控制、电气测量、地质物探、航空航天等工程实践中有着极为广泛的应用。如何对高速的信号进行实时采集、实时存储，保证信号不丢失，以满足工业现场的需要，一直是高速数据采集系统研究的一个重要方向。数据采集系统是信号与信息处理系统中不可缺少的重要组成部分，同时也是软件无线电系统中的核心模块。

      高速数据采集系统主要包括以下几个部分：模拟信号调理电路、模数转换器、数据处理器件、数据存储器件、时钟电路、触发电路、传输接口芯片和电源系统等，如图1所示。

图1 高速数据采集系统结构图

      其中，模拟信号调理电路是用来将模拟信号放大调整到ADC的采样量程之内，这样既能充分发挥ADC的性能，又能保证采样数据的完整性；ADC是高速数据采集系统的核心器件，模拟信号输入，数字信号输出；数据处理器件有很多种，可以根据实际的不同需要进行选择；数据存储器件主要用于存储数据，可以进行显示，回放和数据处理等操作；时钟电路是比较重要的，时钟的稳定性和精确性决定着数据采集的结果，所以一般的做法是单独设计稳定的时钟电路；触发电路实现外部对数据采集频率和次数的控制，传输接口用于将数据传输给计算机进行后处理。

           采用单路高速A/D转换器以及存储器构成串行采集系统系统框图如图2所示:

图2 单路高速数据采集框图

       采用单路高速AD转换器和高速存储电路来构成字串行采集系统，系统的采样就属于实时采样，适用于任何形式的信号波形，重复的或不重复的，单次的或连续的。又由于所有采样点是以时间为顺序，因而易于实现波形显示功能。但是采用单片高速A/D芯片和高速存储器件，会大大提高系统开发成本。同时系统的采样率就受到A/D转换器最高转换速率以及存储器写入速度的限制。因此，单通道数据采集系统的采集速度受器件自身参数的限制，很难再大幅度提高其转换速度。

二、核心程序

其整体结构如下所示：

2.1锁存器模块

        系统工作的时候要对数据进行锁存，然后进行传输，通常这样做可以使系统更加稳定的工作，其工作原理比较简单，实现代码如下所示：

library ieee;
 
use ieee.std_logic_1164.all;
 
use ieee.std_logic_unsigned.all;
 
entity dlatch8 is
 
port(
 
   cp: in std_logic;
 
   d:  in std_logic_vector(7 downto 0);
 
   q:  out std_logic_vector(7 downto 0)
 
   );
 
end dlatch8;
 
architecture one of dlatch8 is
 
begin
 
   process(cp,d)
 
   begin
 
      if(cp='1') then
 
      q<=d;
 
      end if;
 
   end process;
 
end;

2.2双口地址计数器模块

       地址计数器用来给RAM存储器产生地址信号。由RAM的写入时钟来控制，每当时钟上升沿到来一次，地址计数器就自动加1，直到进行至RAM的底部，表示此时RAM已经写满。下面给出由VHDL语言实现的地址计数器部分源代码。

library ieee;
 
use ieee.std_logic_1164.all;
 
use ieee.std_logic_unsigned.all;
 
use ieee.std_logic_arith.all;
 
entity addrcount is
 
      port(
 
           clr:in std_logic;
 
           clk:in std_logic;
 
           eoc: out std_logic;
 
           q: buffer std_logic_vector(6 downto 0)
 
          );
 
        end;
 
architecture beha of addrcount is
 
begin
 
   process(clr,clk)
 
   begin
 
      if(clk'event and clk='1') then
              if clr='0'then
              q<="0000000";
          elsif(q="1111111")then
              q<="1111111";
          else
              q<=q+1;
          end if;
      end if;
   end process;
   process(q)
      begin
      if(q="1111111") then
      eoc<='0';
      else
      eoc<='1';
      end if;
   end process;
end beha;

2.3双口RAM模块

       对于高速数据接收，一般发送端和接收端的时钟是异步的，这就涉及到异步时钟域数据的传输的问题，此外在不同时钟控制的时钟域中传递数据时，了避免发生亚稳态和产生毛刺，应该做好异步时钟域之间的隔离处理。通常，可采用DPRAM以数据缓冲的形式来作为异步时钟域之间的隔离接口。

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
LIBRARY altera_mf;
USE altera_mf.all;
ENTITY lpm_ram_dp IS
	PORT
	(
		clock		: IN STD_LOGIC ;
		data		: IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
		rdaddress		: IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
		wraddress		: IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
		wren		: IN STD_LOGIC  := '1';
		q		: OUT STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0)
	);
END lpm_ram_dp;
ARCHITECTURE SYN OF lpm_ram_dp IS
	SIGNAL sub_wire0	: STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
	COMPONENT altsyncram
	GENERIC (
		address_aclr_a		: STRING;
		address_aclr_b		: STRING;
		address_reg_b		: STRING;
		indata_aclr_a		: STRING;
		intended_device_family		: STRING;
		lpm_type		: STRING;
		numwords_a		: NATURAL;
		numwords_b		: NATURAL;
		operation_mode		: STRING;
		outdata_aclr_b		: STRING;
		outdata_reg_b		: STRING;
		power_up_uninitialized		: STRING;
		read_during_write_mode_mixed_ports		: STRING;
		widthad_a		: NATURAL;
		widthad_b		: NATURAL;
		width_a		: NATURAL;
		width_b		: NATURAL;
		width_byteena_a		: NATURAL;
		wrcontrol_aclr_a		: STRING
	);
	PORT (
			wren_a	: IN STD_LOGIC ;
			clock0	: IN STD_LOGIC ;
			address_a	: IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
			address_b	: IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
			q_b	: OUT STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
			data_a	: IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0)
	);
	END COMPONENT;
BEGIN
	q    <= sub_wire0(7 DOWNTO 0);
	altsyncram_component : altsyncram
	GENERIC MAP (
		address_aclr_a => "NONE",
		address_aclr_b => "NONE",
		address_reg_b => "CLOCK0",
		indata_aclr_a => "NONE",
		intended_device_family => "Cyclone",
		lpm_type => "altsyncram",
		numwords_a => 256,
		numwords_b => 256,
		operation_mode => "DUAL_PORT",
		outdata_aclr_b => "NONE",
		outdata_reg_b => "CLOCK0",
		power_up_uninitialized => "FALSE",
		read_during_write_mode_mixed_ports => "DONT_CARE",
		widthad_a => 8,
		widthad_b => 8,
		width_a => 8,
		width_b => 8,
		width_byteena_a => 1,
		wrcontrol_aclr_a => "NONE"
	)
	PORT MAP (
		wren_a => wren,
		clock0 => clock,
		address_a => wraddress,
		address_b => rdaddress,
		data_a => data,
		q_b => sub_wire0	); END SYN;

2.4时钟分频模块

       一般在高速系统中，时钟的生产有两种方法实现，PLL锁相环法和计数器分频法。下面我们对两种方法做简单的介绍。

    计数器分频器的设计比较简单，其主要通过计数器来控制时钟发现跳板的周期，这里我们对其工作原理就不做介绍了。本系统由于使用的分频器比较简单，因此在这个系统中，我们将实用计数器分频器来设计时钟。

    其实现的VHDL代码如下所示：

LIBRARY IEEE;
 
use ieee.std_logic_1164.all;
 
use ieee.std_logic_unsigned.all;
 
entity fredivid is
 
port(
 
     clkin:in std_logic;
 
     clkout: out std_logic
 
    );
 
end fredivid;
 
architecture one of fredivid is
 
             signal q:std_logic_vector(1 downto 0);
 
begin
 
     process(clkin)
 
     begin
 
         if(clkin'event and clkin='1')then
             if(q="11")then
             q<="00";
         else
             q<=q+1;
         end if;
     end if;
     end process;
     process(q)
     begin
         if(q(1)='1') then
         clkout<='1';
     else
         clkout<='0';
         end if;
     end process; end;

三、测试结果

     最后，对于设计完成的系统，我们得对其资源做分析。本系统其资源实用情况如所示：

图1 资源使用分析

本系统，我们共实用逻辑单元2048个。

图2 时序分析报表

     其中tsu，tco，tpd，th分别为7.098ns，14.272ns，9.109ns，0.227ns。后面的输入信号频率基本在200M左右，达到高速传输的要求。

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