基于FPGA的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

尹淑娟（包頭師范學(xué)院　信息學(xué)院,內(nèi)蒙古　包頭　014030）

基于FPGA的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

尹淑娟
（包頭師范學(xué)院信息學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭014030）

摘要：系統(tǒng)通過(guò)ADC0809采集數(shù)據(jù)，并用DAC0832輸出數(shù)據(jù)，在QuartusII平臺(tái)上，通過(guò)VHDL語(yǔ)言編程完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路的軟件設(shè)計(jì)、編譯、調(diào)試、仿真和下載，通過(guò)仿真波形分析說(shuō)明設(shè)計(jì)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；FPGA；VHDL；采樣控制

1　引言

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支之一，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理以及控制等問(wèn)題。它是對(duì)傳感器信號(hào)的測(cè)量與處理，以微型計(jì)算機(jī)等高技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門(mén)綜合應(yīng)用技術(shù)。數(shù)據(jù)采集也是從一個(gè)或多個(gè)信號(hào)獲取對(duì)象信息的過(guò)程。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)已成為日益重要的檢測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等需要同時(shí)監(jiān)控溫度、濕度和壓力等場(chǎng)合。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制等系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，通常采用集成的FPGA系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，作為測(cè)控系統(tǒng)不可缺少的部分，數(shù)據(jù)采集的性能特點(diǎn)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)用ADC0809對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由可編程邏輯器件讀入，再送到CB模塊中，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC0809的控制，由于采用查詢信號(hào)EOC的方式，所以可達(dá)到ADC0809的最高速度。

數(shù)據(jù)處理單元就是主控器，其主要包括鍵盤(pán)控制模塊、顯示控制模塊、串并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)顯示控制模塊設(shè)計(jì)。八路數(shù)據(jù)采集器將各路模擬信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成8位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，用串行碼送入傳輸線路。主控器串行傳輸線路對(duì)各路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示，采集方式包括循環(huán)采集（即1路、2路8路、1路、）和選擇采集（任意一路）。顯示部分能同時(shí)顯示地址和相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.1鍵盤(pán)控制模塊

鍵盤(pán)模塊的功能是：按9號(hào)鍵循環(huán)顯示各路地址和數(shù)據(jù)；按1～8號(hào)任意鍵顯示任意一路的地址和數(shù)據(jù)，該控制模塊中DISP_DATA是數(shù)碼管顯示譯碼輸出，它的工作由CLK信號(hào)和KEY_LIE（列輸入）決定，KEY_HANG為行輸出，將會(huì)和KEY_LIE相并然后在輸出，DATA_P和DATA_PP為二一十進(jìn)制數(shù)的輸出和小數(shù)點(diǎn)，鍵盤(pán)控制模塊包括：行鍵值輸出、鍵值鎖存和鍵值合成。鍵值鎖存模塊將按下按鍵的行、列信息鎖存，并交由鍵值合成模塊，該模塊配合行鍵輸出模塊輸出的結(jié)果，最終確定鍵值并輸出。

2.2顯示控制模塊

顯示控制模塊CONTROL主要是由鍵盤(pán)輸入來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇通路進(jìn)行鍵盤(pán)值的數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)鍵盤(pán)值是9的時(shí)候，循環(huán)輸出選擇通路地址000、001、010、011、100、101、110、111和1、2、3、4、5、6、7、8通道號(hào)。當(dāng)鍵盤(pán)值是0——8任意值的時(shí)候，單獨(dú)數(shù)據(jù)采集顯示；如當(dāng)鍵盤(pán)值是1時(shí)，選擇通路地址d_out輸出001，key輸出1數(shù)字。

2.3串并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

串并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的主導(dǎo)思想是將串行數(shù)據(jù)變成并行數(shù)據(jù)輸出。對(duì)上一模塊中的通道數(shù)據(jù)的串行輸入進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，然后輸出PAR_ OUT(通道地址加通道數(shù)據(jù))。

2.4數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將采集的個(gè)通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，并根據(jù)鍵盤(pán)所選擇的通道選擇對(duì)應(yīng)通道的數(shù)據(jù)，用U0=-U0×D/28將其轉(zhuǎn)換成與模擬電壓對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其中D為數(shù)字量的十進(jìn)制數(shù)，再將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二一十進(jìn)制數(shù)，在傳到下一模塊。

2.5數(shù)據(jù)顯示控制模塊

由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊中傳過(guò)來(lái)的二一十進(jìn)制數(shù)據(jù)和鍵盤(pán)數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)碼管數(shù)據(jù)的循環(huán)控制，并在數(shù)碼管中選通，最后在數(shù)碼管上顯示數(shù)據(jù)。串并轉(zhuǎn)換模塊的輸出端PAR_OUT與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊中的輸入端C_IN連接，鍵盤(pán)模塊的輸出端DATA_P(二一十進(jìn)制數(shù)輸出)與顯示控制模塊的輸入端D_IN（二一十進(jìn)制數(shù)輸入）連接，顯示控制模塊的輸出端D_OUT（通路數(shù)據(jù)輸出）和KEY（鍵盤(pán)值數(shù)據(jù)輸出）分別與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的D_IN（鍵盤(pán)選擇的通道數(shù)據(jù)輸入）和KEY_IN（鍵盤(pán)值的數(shù)據(jù)輸入）連接，最后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端KEY_OUT（鍵值的顯示輸出）、C_OUT1、C_OUT2、C_OUT3、C_OUT4（數(shù)據(jù)的顯示輸出）與數(shù)據(jù)顯示模塊的KEY_IN(鍵盤(pán)數(shù)據(jù)輸入)、D_IN1、D_ IN2、D_IN3、D_IN4（二一十進(jìn)制數(shù)據(jù)）連接，DISP_OUT為數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。

3　仿真結(jié)果分析

（1）鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)仿真，此模塊的主要功能是按9號(hào)鍵循環(huán)顯示各路地址和數(shù)據(jù)，按1～8號(hào)任意鍵顯示任意一路的地址和數(shù)據(jù)。Key_lie為列輸入，key_hang為行輸出，循環(huán)輸出行信號(hào)1110、1101、1011、0111，disp_data為數(shù)碼管顯示譯碼輸出。

（2）顯示控制模塊設(shè)計(jì)仿真，當(dāng)鍵盤(pán)值是9的時(shí)候，循環(huán)輸出選擇通路地址000、001、010、011、100、101、110、111和1、2、3、4、5、6、7、8通道號(hào)。當(dāng)鍵盤(pán)值是0～8任意值的時(shí)候，單獨(dú)數(shù)據(jù)采集顯示。如當(dāng)鍵盤(pán)值是1的時(shí)候，選擇通路地址d_out輸出001，key輸出1數(shù)字。

（3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)仿真，根據(jù)鍵盤(pán)所選擇的通道選擇對(duì)應(yīng)通道的數(shù)據(jù)，將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù).如鍵入key_in=1001,鍵盤(pán)選擇通道數(shù)據(jù)輸入111，則key_out輸出0111。

（4）數(shù)據(jù)顯示控制模塊設(shè)計(jì)仿真，將會(huì)在數(shù)碼管上顯示數(shù)據(jù)。disp為數(shù)碼管掃描，disp_out為數(shù)碼管數(shù)據(jù)，八位分別為小數(shù)點(diǎn).g..a，如當(dāng)disp_out=00111111時(shí)，數(shù)碼管顯示0，當(dāng)disp_out=00000110時(shí)，數(shù)碼管顯示1。

（5）系統(tǒng)總體仿真圖

4　結(jié)論

在頂層設(shè)計(jì)實(shí)體中將各子功能模塊相連，通過(guò)設(shè)計(jì)輸入、綜合分析、仿真驗(yàn)證等步驟后，仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的核心模塊都能正常工作，實(shí)現(xiàn)了8路數(shù)據(jù)的采集功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]王振紅，趙新建.數(shù)據(jù)采集以及監(jiān)控系統(tǒng)[M].北方工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2]馬云峰，陳子夫，李培全.數(shù)字溫度傳感器DS18B20的原理與應(yīng)用[J].[EB/OL]1-25.

作者簡(jiǎn)介：尹淑娟(1982—)，碩士學(xué)位，講師，研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用。