基于FPGA的多通道數據采集系統的設計

陳江峰 趙國良 姚善化

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南232001）

0 引言

在煤礦開采的過程中，采礦人員的作業環境一直處于較為復雜且危險的狀態，因此，對于采礦人員的人身安全保護就成了首要考慮的問題， 以至于對礦井中的環境狀態進行實時監測就顯得非常必要，在傳統的設計方案中由于數據采集系統I/O 口的局限性，需要許多相對獨立的采集系統來對井下的各個變量進行數據采集，這樣做不但使得系統過于分散，也不利于數據的集中處理，本設計使用FPGA 芯片來進行數據采集，不但提升了數據傳輸速度，而且FPGA 的I/O 口極其豐富，并且FPGA 芯片具有高速的實時數據處理能力，完全能夠滿足井下數據采集的要求，正是基于FPGA 以上的優點，本設計提出了一種8 通道的數據采集方案。

1 系統總體結構設計

由于煤礦作業環境的特殊性，礦井時刻存在著礦井塌陷；瓦斯爆炸、巷道滲水等危險，因此，設計中獲取的目標信號主要為礦井中的瓦斯濃度、巷道內的溫度、濕度、流速四種物理量，采集到的數據經過AD轉換器處理之后有控制器經過USB2.0 連接到上位機進行顯示， 監控人員可以根據當前采集到的原始數據進行分析并對井下的安全情況作出相應的判斷，從而不但使得井下作業人員的人身安全得到保障。

該系統電路包含了傳感器、模擬調理電路、多路模擬開關、AD 轉換器、FPGA 、USB 接口電路6 個部分組成。 相應的要完成設計的模塊主要有信號采集電路、信號調理電路、AD 轉換電路、數據傳輸電路。各個物理量的傳感器測得的模擬信號經過模擬調理電路處理后送至模擬開關電路，FPGA 的控制信號選通其中的一路信號進入AD 轉換器進行模數轉換， 然后FPGA 控制時序將數據經由USB 接口傳送至上位機進行顯示。 雖然在任意時刻FPGA 只能控制一路信號進行傳輸，但由于FPGA 具有工作頻率極高、組成形式靈活，較好的硬件邏輯控制能力等優點，因此完全可以實現數據的高效實時采集與顯示。

圖1 數據采集系統結構圖

2 系統關鍵硬件模塊電路設計

2.1 模擬信號調理電路

由于經傳感器轉變的模擬電量信號比較微弱，所以引入模擬信號調理電路的目的主要是用來對這些模擬電信號進行隔離、變換、放大、濾波等各種處理， 以滿足模數轉換對輸入電平和信號質量的要求，信號調理電路如圖2 所示。

2.2 模擬開關電路

經調理電路輸出的信號到達多路模擬開關，再經由FPGA 提供控制信號選通其中的一路信號， 本設計中多路模擬開關選用的是由Analo g Dev ices 公司生產的AD7503。 AD7503 有一個使能端口EN和3 個地址選通端口 該芯片由FPGA 的4 個IO 口控制。

2.3 AD 轉換電路

信號經模擬開關選擇后進行AD 轉換，為了實現寬范圍的模擬量高精度的實時采集， 克服目標信號較多的問題， 本系統選用由美國Burr - Brow n 公司設計生產的ADS774 作為AD 轉換芯片。芯片最大轉換時間不超過8.5μs , 最大功耗小于120 MW, ADS774 能與大多數微處理器系統或數字系統相連接, 可由微處理器控制其工作, 該也可經R/C 輸入運行在完全獨立的工作模式下，ADS774 支持雙極性輸入,且信號輸入可選的電壓范圍有4 種, 分別為0～10V、0～20V、 -5～5V、-10～10V, 輸出數字量為12 位或8 位。

圖2 信號調理電路

圖3 AD 轉換電路

2.4 USB 接口電路設計

為了實現FPGA 處理后數據的上報，采用了USB 接口實現FPGA與上位機之間的數據通信。本設計采用了Cypress 公司的USB2.0 的集成微控制器CY7C68013。 該芯片具有控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸4 種傳輸方式。

3 系統軟件設計

本設計是在Quartus 編譯環境中完成FPGA 的設計, 采用Verilog HDL 硬件語言進行描述， FPGA 選用Cyclone EP1C6Q240C8 作為數據處理器。

工作流程：

（1）當系統開始通電以后，首先是對FPGA 的初始化處理。

（2）FPGA 控制信號選擇摸一個通道，當進行數據采集時，模擬開關的使能端被設置為0，若達到循環的通道選擇可以用FPGA 的分頻信號來實現。

（3）進行模數轉換并且使R/C 端口信號為低電平有效，在有效狀態下讀取數據并存儲數據。

（4）為了減少信號中的震蕩干擾和周期性脈動的影響，設計采用滑動算數平均值濾波方式對鎖存器內的信號量進行濾波處理，待處理完以后存放在寄存器中，便于上位機的讀取。

圖4 程序流程圖

4 結束語

基于FPGA 的多通道數據采集系統可實現8 通道的數據采集，該系統利用FPGA 作為控制核心，具有硬件結構簡單、數據采集和處理速度快，采集精度高等優點，在惡劣的煤礦生產條件下，有很好的可靠性和應用價值。

［1］馬明建.數據采集與處理技術[M].西安：西安交通大學出版社，2005.

［2］周潤景，蘇良碧.基于Quartus 的數字系統Veri log HDL 設計實例詳解[M].北京：電子工業出版社，2010.

［3］湯少維.基于FPGA 控制的高速數據采集系統設計與實現[J].現代電子技術，2009.

［4］劉凌.數字信號處理的FPGA 實現[M].北京:清華大學出版社,2006.