基于FPGA的高速數據采集系統的設計與實現

汪明

摘要：為有效解決高速數據采集過程中數據的實時性和傳輸速率等問題，對多通道數據進行有效的檢測和控制，筆者開發設計出一種基于FPGA的高速數據采集系統，通過調試和試驗得出系統具有良好的性能，為后期研究提供一定的理論基礎。

關鍵詞：FPGA;高速數據采集;設計

引言

國外雖然有專業的測量設備，能夠實現對千兆頻率的數據采集，但是價格昂貴、不適用。國內相關技術人員對于數據的采集和處理技術格外重視，雖然能夠達到數據的高速采集和處理，但是國內沒有獨立的研發部門，高端測試儀器價格昂貴，并受環境因素制約，使其不能有效與嵌入式計算平臺進行集成，因此，本文提出基于嵌入式的計算機數據采集模塊系統，可以完成對數據的高速采集。

一、整體方案與系統架構

高速數據采集系統包括數據采集、通訊和處理模塊、信號調理以及電源模塊等。數據采集系統將輸入的模擬信號轉換為數字信號進行傳輸，為保證高速數據傳統系統的穩定性，應逐漸攻破并行數據流的時序及數據存儲和處理等方面的技術性難題。本文提出的一種基于CPCI嵌入式的數據采集系統（圖1），包含軟硬件的方案構成，其中硬件方案主要包含是CPCI底板、CPU模塊、數據采集模塊、固態盤模塊、信號調理模塊及電源模塊等，其中CPU模塊作為核心模塊，可實現數據的高速傳輸;軟件方案包含數據采集模塊和數據顯示界面。

二、數據采集硬件模塊設計

基于FPGA的高速數據采集平臺（圖2 為高速效據采集模塊）在CPCI底板和CPU模塊核心模塊控制下數據控制平臺，其中各項模塊和電源等完全兼容CPCI標準底板，使整個系統具有可靠性和擴展性，實現系統的模塊化處理。其中，高速數據采集系統包含高速A/D轉換器、模擬通道接口和觸發電路等硬件，數顯前端模擬信號與控制信號可有效連接。

三、FPGA邏輯設計

隨著信息化快速發展，使得信息系統對于數據的采集、捕獲等方面提出更高的技術要求，需要盡可能增大信號的頻帶范圍，最大化擴大對信息的獲取，其要求系統對于數據的采樣頻率和采樣信號帶寬等相應的標達到更高的標準，因此使得相應的控制手段更加靈活和方便，FPGA技術應運而生。文中系統選用StratixlI系列器件，因其采用ALM使得該器件具有更高的性能和邏輯擴展性，同時具有更強的DSP，能有效支持14J。該設計采用的主動串行與JTAG方式有效結合，可以將FPGA芯片的MSELx（其中x的值為0、1、2和3）引腳設置合理的電平;同時，在其內部功能上是根據具體方案設定，在考慮該平臺擴展性的同時，對其系統資源上進行科學合理的評估。因此，該設計具有廣泛的通用性、選擇性，一般來說，能夠實現一般數據的信號處理。

四、高速采集電路與高速數據流實時存儲

對于高速數據采集系統來說，其采集電路和數據流的存儲是設計的關鍵之處。通過對該整體系統的選型和設計，實現高速數據采集系統的完整性、數據流的降速和存儲，最終確認數/模轉換器與FPGA有效結合，實現數據的高速處理。該方案設計的單通道的采樣率為1 GS/s，雙通道的采樣率為2GS/s，同時能夠高速捕獲數據并滿足實時存儲等功能。

五、系統調試及結果分析

完成對數據的高速傳送，需要對整個數據系統進行調試。采樣定理是將采集到的模擬信號在不失真的情況下轉換為相應的數字信號，其中設備的采樣頻率應大于模擬信號的兩倍。但是在驗證過程中，筆者發現數據采集模塊的采樣率是采樣模擬信號的5倍;同時系統性能和功能驗證采用的是Agilent LXl33220A標準信號源等，采用的試驗環境是Windows操作系統，及相應的人機界面控制軟件（如圖3）。其中，輸入的模擬信號為20MHz/100mV正弦波。

六、結論

與傳統的數據采集卡相比，本文設計開發的高速數據采集系統具有良好的功能，能夠快速實現數據的傳送。同時，該數據采集系統能夠廣泛應用多種同步數據采集的場合，是一種較理想化的數據采集模式。在后續的研究過程中，可以采用高性能的ADC系統，也可以對數據的采樣率和緩存器進行優化和改革，提供更高效的數據處理功能，有效提升對于數據的采集和處理速度，最大化提升數據的采集能力。

參考文獻：

[1]吳明鋒. 基于FPGA的高速數據采集系統設計與實現[J]. 移動信息， 2018， （7）：47-48.

[2]常高嘉， 馮全源（西南交通大學微電子研究所）. 基于FPGA的高速數據采集系統的設計與實現[J]. 電子器件， 2012， （5）：615-618.