基于FPGA的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)及可靠性分析

陳柯勛++王曉毅++薛輝

摘 要：為了提高現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集器的可靠性，本文選用Altera公司Cyclone IV系列的EP4CE15F17C8N為核心芯片，選用Analog Device 公司的12位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9233-125完成數(shù)據(jù)采樣，并添加SDRAM和EEPROM 模塊來(lái)擴(kuò)展FPGA芯片的存儲(chǔ)資源、降低數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。在完成設(shè)計(jì)之后，本文針對(duì)性地設(shè)計(jì)了可靠性評(píng)估方法，確定本文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可靠性等級(jí)為0.625，具有較高的可靠性。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集器成本低、可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集器 FPGA 可靠性

中圖分類號(hào)：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）08（c）-0007-02

Abstract： In order to improve the reliability of the existing data acquisition system， EP4CE15F17C8N of Altera Cyclone IV series is chosen as the core chip in this paper， the 12 bit A/D chip AD9233-125 of Analog Device is chosen to complete data sampling， and add SDRAM and EEPROM module to expand FPGA chip storage resources and reduce the risk of data loss. After the completion of system design， this paper designed a reliability evaluation method to determine the reliability level of this design is 0.625， with higher reliability. The data collector designed in this paper has the advantages of low cost， high reliability and expandability， which can be used in many fields with a broad market prospect.

Key Words： Data acquisition device； FPGA； Reliability

在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集器可以對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、監(jiān)測(cè)和記錄，扮演著重要的角色。目前已有多種成熟的數(shù)據(jù)采集器被投入使用，但目前市場(chǎng)上通用的高速數(shù)據(jù)采集卡通常成本較高、可拓展性弱，靈活性低，且處理速度和可靠性都有進(jìn)一步提升的空間[1]。因此，本文以經(jīng)濟(jì)、實(shí)用性強(qiáng)和可靠性好為設(shè)計(jì)目標(biāo)，選用Altera 公司Cyclone IV 系列的 EP4CE15F17C8N為核心芯片，設(shè)計(jì)了一款低成本、高速、高可靠性的數(shù)據(jù)采集器，并設(shè)計(jì)了可靠性評(píng)估方案對(duì)其可靠性進(jìn)行測(cè)試。

1 總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)前文所述，綜合考慮成本、采集速度、采集精度、穩(wěn)定性和可靠性，本文將以FPGA芯片EP4CE15F17C8N為核心，搭配相應(yīng)的AD芯片、存儲(chǔ)芯片完成數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)，本文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集器的總體原理框圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集器由A/D采樣模塊、FIR濾波模塊、FPGA模塊、SDRAM存儲(chǔ)模塊、EEPROM存儲(chǔ)模塊、串口發(fā)送模塊6個(gè)部分組成。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中采用verliog HDL語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)環(huán)境選用Quartus II[3]。每個(gè)部分的設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

（1）A/D采樣模塊。為了提高數(shù)據(jù)采集器的采集速度，本文在AD采樣時(shí)選用Analog Device公司的AD9233-125芯片，該芯片是一款12位的125 MSPS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），內(nèi)置一個(gè)高性能采樣保持放大器（SHA）和片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源，最高采樣率可達(dá) 125MHz，12位分辨率，模擬帶寬最高可達(dá)650MHz，可做射頻直接帶通采樣，可以滿足本文的設(shè)計(jì)需求。為了不限制該芯片的高速采集性能，本文在編程過(guò)程中縮短了指令執(zhí)行時(shí)間，包含狀態(tài)較少，主要包括以下4個(gè)狀態(tài)：

①停止?fàn)顟B(tài)。數(shù)據(jù)采集單元開(kāi)始時(shí)處于停止或空閑狀態(tài)。

②啟動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到達(dá)時(shí)，初始化芯片AD9233-125，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。

③轉(zhuǎn)換狀態(tài)。在采樣周期中等待數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換。

④輸出狀態(tài)。A/D轉(zhuǎn)換完成后，開(kāi)始輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。

⑤存儲(chǔ)狀態(tài)。最后存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換的結(jié)果，再返回起始狀態(tài)準(zhǔn)備下一次的數(shù)據(jù)采集。

（2）FIR濾波模塊。為了提高數(shù)據(jù)采集器的精度，本文將采用 Altera公司提供的FIR IP核對(duì)采集出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，抑制噪聲和其他高頻信號(hào)的干擾。該設(shè)計(jì)過(guò)程是在IP核編輯器里對(duì) FIR IP核的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括：濾波器階數(shù)和類型為32階低通濾波器，采樣頻率為20MHz，截止頻率為500KHz，窗類型為海明窗。

（3）FPGA模塊。目前，人們一般是以單片機(jī)、ARM、FPGA等為核心，搭配AD芯片、存儲(chǔ)芯片等來(lái)完成數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)。其中，以FPGA為核心的設(shè)計(jì)方案處理速度快、實(shí)時(shí)性好、精度高，抗干擾能力強(qiáng)，且具有豐富的接口，靈活性很高[2]，考慮到成本和性能，本文選用Altera公司Cyclone IV系列的EP4CE15F17C8N為核心芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)。

（4）SDRAM存儲(chǔ)模塊。為了提高數(shù)據(jù)采集器的存儲(chǔ)容量，本文選用Hynix公司的一款16Mb16位總線的SDRAM芯片H57V2562GTR-75C來(lái)擴(kuò)展FPGA芯片的存儲(chǔ)資源。該模塊在編程實(shí)現(xiàn)時(shí)參考其數(shù)據(jù)手冊(cè)的時(shí)序圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。endprint

（5）EEPROM存儲(chǔ)模塊。為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)采集器的穩(wěn)定性，降低數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)，本文在該方案中選用一片64kB的串行EEPROM芯片CAT24C64，用于存儲(chǔ)用戶非易失性數(shù)據(jù)。編程實(shí)現(xiàn)時(shí)本文采用同步有限狀態(tài)機(jī)（FSM）的設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)EEPROM模塊的設(shè)計(jì)，利用5個(gè)狀態(tài)時(shí)鐘完成寫操作，7個(gè)狀態(tài)時(shí)鐘完成讀操作[4]。

（6）串口發(fā)送模塊。為了增加數(shù)據(jù)采集器的可視性，本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中添加一個(gè)串口發(fā)送模塊將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至PC機(jī)，供用戶進(jìn)行后續(xù)處理和分析，該模塊采用10位數(shù)據(jù)幀格式，波特率設(shè)置為115200，利用狀態(tài)機(jī)通過(guò)空閑狀態(tài)、開(kāi)始狀態(tài)、數(shù)據(jù)位發(fā)送狀態(tài)、停止位狀態(tài)4個(gè)狀態(tài)完成采集數(shù)據(jù)的傳輸。

2 數(shù)據(jù)采集器可靠性分析

對(duì)于類似數(shù)據(jù)采集器的既定系統(tǒng)，傳統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性分析方法是以經(jīng)典可靠性分析理論為依據(jù)，需要多次測(cè)試得到大量統(tǒng)計(jì)信息，對(duì)于樣本容量有限的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可靠性分析結(jié)果誤差較大[5]。另一方面，經(jīng)典可靠性理論必須基于概率假設(shè)、二態(tài)假設(shè)，制約了傳統(tǒng)可靠性分析方法的應(yīng)用范圍[6]。為此本文引入了一種較新的系統(tǒng)可靠性等級(jí)評(píng)價(jià)方法，包括選取可靠性評(píng)估指標(biāo)、量化可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)、確定系統(tǒng)可靠性等級(jí)三個(gè)步驟。

（1）選取可靠性評(píng)估指標(biāo)。可靠性評(píng)估指標(biāo)是用來(lái)衡量系統(tǒng)可靠性的主要因素，選取依據(jù)根據(jù)實(shí)際情況而不同，指標(biāo)越多，評(píng)估越全面，評(píng)估結(jié)果越可靠。針對(duì)本文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集器，評(píng)估指標(biāo)包括：運(yùn)行環(huán)境、系統(tǒng)集成、人機(jī)耦合、方案成熟性及安全性。

（2）量化可靠性評(píng)估指標(biāo)。本文將上述評(píng)估指標(biāo)全部統(tǒng)一量化成1～4共4個(gè)級(jí)別，分別表示被評(píng)估系統(tǒng)在該指標(biāo)下的表現(xiàn)為優(yōu)、良、中、差，不同量化級(jí)別均可形成五邊形，所以可以形成如圖2所示的可靠性評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)。

（3）確定系統(tǒng)可靠性等級(jí)。由步驟（2）確定數(shù)據(jù)采集器各個(gè)評(píng)估指標(biāo)的具體級(jí)別，形成一個(gè)五邊形并計(jì)算該五邊形面積，同時(shí)計(jì)算當(dāng)所有指標(biāo)都為優(yōu)時(shí)所形成的五邊形面積，計(jì)算兩個(gè)五邊形面積的比值即可得到數(shù)據(jù)采集器的可靠性等級(jí)，可靠性等級(jí)區(qū)間為[1]。

通過(guò)上述三個(gè)步驟對(duì)本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，得到的各個(gè)指標(biāo)的量化結(jié)果如圖2所示，通過(guò)上述步驟（3）確定數(shù)據(jù)采集器的可靠性等級(jí)為0.625，因此本文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集器的可靠性較高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)明扼要的敘述了基于FPGA芯片EP4CE15F17C8N的數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)過(guò)程，并針對(duì)性的設(shè)計(jì)了一個(gè)可靠性評(píng)估方法來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)采集器的可靠性進(jìn)行評(píng)估，本文所開(kāi)展的研究有助于提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量，可以被擴(kuò)展應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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