Yang Y B, Han X H, Lei L H. Design of the Data Acquisition System Based on FPGA[C]//Applied Mechanics and Materials. Trans Tech Publications, 2014, 513: 4382-4386.
基于FPGA的数据采集系统设计
摘 要
基于ICL7135和EP2C5Q208C8的数据表设计了数据采集系统。根据ICL7135的特点，使用Verilog HDL语言程序和Quartus软件模拟各个功能模块。仿真结果和实验分析表明，采用FPGA A / D方法可以简化系统设计的复杂度，对处理效果具有很高的准确性。
关键词：FPGA（现场可编程门阵列）；ICL7135；数据采集
1引言
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，数据采集系统被广泛应用于工业控制，军事电子设备，医疗保健等诸多领域[1]。现场可编程门阵列和高精度A / D转换器已成为数据采集系统的重要组成部分。由于采集效率低，由微控制器和A / D转换芯片构成的数据采集系统不适合开发的需要。为了充分利用可以快速处理数据的FPGA，本文提出利用FPGA作为主芯片直接控制A / D采集和显示数据，设计[2]可以简化硬件设计，增加系统的灵活性。
2系统的总体程序设计
如图1所示，数据采集系统的方框图主要包括模数转换器（ADC），现场可编程门阵列（FPGA）和数据显示部分。ADC由FPGA控制，将模拟信号转换为数字信号，接收数据并快速处理，并提供转换后的数据进行显示。
图1 数据采集系统框图 图2系统连接图
3硬件设计
EP2C5Q208C8用作由Altera生产的主芯片，ICL7135用于该系统中的ADC。 数码管用于显示数据。 系统连接图如图2所示，ICL7135可输出TTL电平，FPGA可输出LVTTL电平，用作FPGA输出引脚的PWM端口可直接连接ICL7135的引脚。 由于LVTTL电平的输出范围是TTL电平输入电压范围的子集，因此繁忙端口可以通过电阻分压器或专用芯片进行转换。
3.1 EP2C5Q208C8
EP2C5Q208C8是一个逻辑门阵列器件，包含可编辑的组件，可以现场编程。 其输入/输出电源电压为3.3V，有288个逻辑块，142个输入/输出线，208引脚和PQFP封装。 它由/输出单元组成，基本可编程逻辑单元，全局时钟网络和锁相环，嵌入式存储器，多轨互连和嵌入式乘法器[3]。 FPGA具有高时钟频率，小内部延迟和所有控制逻辑由硬件完成的特点。 Cyclone II FPGA的低成本和优化功能集使其成为各种各样的理想解决方案汽车，消费，通信，视频处理，测试和测量以及其他终端市场解决方案[4]。
3.2 ICL7135的基本原理
ICL7135是一个4 1 2位BCD输出，A / D转换器，需要单个参考电压[5]。
图3 完整的循环图 图4 脉宽调制模块连接图
从图3中，我们可以通过BUSY信号的变化来确定积分阶段（采样周期和比较周期）的开始和结束。 由于采样周期中的时钟数固定为10000，我们可以使用在积分阶段的周期中计数到-10000的数字，并得到与输入电压对应的数字。 ICL7135采用plusmn;5V电源供电。 由于积分器的原始值为零，为了抑制从50HZ [6]的频率导出的干扰信号，采样周期的时间通常设计为50Hz的整数倍，我们使用125KHZ作为时钟脉冲 本设计中的频率。
4软件设计
该程序的设计基于Quartus软件平台，由Verilog HDL语言编写[7]。该程序包含两个主要模块：PWM模块和数字模块。 FPGA使用EP2C5Q208C8，外部时钟为20MHz。
4.1 Pwm模块
PWM模块由检测模块，控制模块和PWM计数模块组成。 PWM模块具有产生125KHz时钟脉冲的功能，检测忙引脚的变化以及当忙端口处于高电平时段时记录脉冲数并输出要显示的数字。 PWM模块连接图如图4所示。
4.1.1 子模块的功能
检测模块用于检测由上升沿和下降沿组成的忙端口的变化。由于输入信号来自异步时钟域，我们可以使用边缘同步器结构来编写程序。可以通过Synchronizer和触发器形成电平同步器;在水平同步器之后我们可以使用第二个触发器;我们可以用第二级触发器的输出和第三级触发器的输出进行编程。当忙信号从低电平变为高电平时，L2H-Sig信号输出高电平的一个周期;当忙碌从高电平变为低电平时，H2L-Sig信号输出高电平的一个周期。
控制模块用于发送忙碌控制信号。 当L2H-Sig出现一个高电平周期时，忙控制信号输出高电平并保持不变; 当H2L-Sig出现一个高电平周期时，忙控制信号输出低电平并保持不变。
PWM计数模块用于产生PWM脉冲，并在忙信号保持高电平时根据忙控制信号记录脉冲数。 状态转换如图5所示。
图5 状态转换图 图6 脉宽调制模块的仿真图
图7 软件设计流程图 图9 仿真图
首先，在系统复位信号RST n = 0之后进入IDLE状态，每当RST n = 0时将返回或保持在IDLE状态[8]。用于记录PWM脉冲数的计数器和用于存储计数器数据的寄存器在IDLE状态下的忙碌控制信号的下降沿被清除。当复位完成时，如果忙控制信号处于高电平，它将进入START状态。如果忙碌控制信号保持在高电平，则状态保持在START状态，并且计数器将继续记录PWM脉冲的数量。当忙碌控制信号从高电平变为低电平时进入STOP状态，计数器停止计数，数据被发送到寄存器;进入STOP状态后，当下一个同步时钟上升沿到来时，它将进入CLEAR状态，计数器将变为零;在同步时钟上升沿到来后进入CLEAR状态后，状态将进入START状态。当同步时钟上升沿到来时，所有状态转移都会发生[9]。
4.1.2 pwm模块的模拟
我们将使用Quartus软件的仿真工具分别模拟PWM模块。仿真结果如图6所示。图6表明PWM模块能够完成所需的功能，数据采集结果准确可靠。
4.2 数据显示模块
数据显示模块，其功能是显示数据，包括数据分离模块，数字控制模块，数字管负载数据模块和数字管道扫描模块。数据分离模块处理接收到的数据，分别通过数字控制模块和数字管加载数据模块。数据将被传输到数据SMG代码中以便显示。数字管道扫描模块的功能是与数字控制模块配合，分别对每个数字管道进行选通。
4.3 模块的连接和模拟
4.3.1 软件Fesign流程图
软件设计流程图[10]如图7所示。 首先，系统初始化并且各自模块信号复位; 其次，PWM模块将产生125KHZ时钟脉冲并检测忙引脚的变化。 当忙信号被拉高时，PWM计数模块将接收信号并开始计数。 但是，当忙信号被拉低时，计数器将停止，寄存器将保存数据，FPGA将处理数据，数码管将更新数据。
4.3.2 模块连接图
每个模块的连接图如图8所示。
图8 模块连接图
4.3.3 模拟
Quartus软件用于模拟设计中的模块。为了使图更清楚，在数字管道扫描模块中相应地调整了时间并且在数据处理中脉冲数不减去10000。仿真如图9所示。
5结论
在实验中，FPGA开发板和RIGOL DG4062功能/任意波形发生器用于验证系统软件的功能。 DG4062设置输出方波，相位和偏移设置为0，幅度设置为3.3Vpp。 由于本系统使用125 KHz时钟脉冲，输入脉冲频率和收集的脉冲数应该表示由FPGA收集的脉冲数的计算值。 这些数字已经测量了20次，结果如表I所示。
我们可以通过表1中的数据获得nc = n，因此FPGA可以在数据采集的设计中取代微控制器应用，从而大大降低了设计的整体复杂性，并为系统设计提供了更大的便利。
表1 脉冲数的测量值
致谢及参考文献已略去(见原文)
Zhang H, Kang W. Design of the data acquisition system based on STM32[J]. Procedia Computer Science, 2013, 17: 222-228.
基于STM32的数据采集系统设计
摘 要
机械设备故障的早期检测是工业生产中最重要的问题之一。为了针对旋转机械的监测效果，本文基于STM32研制了一套微型信号采集系统。给出了系统的总体设计方案和多通道振动信号，旋转轴的X轴、Y轴和Z轴可以快速获取并实时显示。我们的系统具有结构紧凑，功耗低，小型化等特点。
关键词：STM32；数据采集；嵌入式系统；mu;C/OS-Ⅱ
1引言
旋转机械振动的实时采集可以有效地预测、评估和诊断设备的运行状态，行业快速获取振动数据采集和实时分析可以监测旋转机械的状态，保证设备的安全运行。为了防止故障,减少维修时间,提高经济效率,这些设备故障诊断系统可以检测的目的通过旋转机械的振动信号采集和处理数据采集,然后将做出及时判断设备的运行状态尽管数据采集模块是故障诊断系统的核心部分[1 – 4]。在工业领域的实际应用中，是通过获取设备运行参数来监测设备运行状态。在传统的数据
采集系统，采集卡上的数据一般送入计算机，并开发专门的软件进行数据采集。本文的主要贡献是采用ARM技术设计了STM32平台，使其成为嵌入式系统中传统的主流技术，并朝着数据采集的高实时性、多参数化、高精度、实时性、存储容量越来越大，小型化和便携化程度越来越高，多通信方式和远程数据传输的方向发展。为了满足实际采集系统多任务处理的需要，本文设计了一套信号采集系统。因此，为了满足实际采集系统的多任务要求，本文的这一新颖之处是设计了一种基于STM32单片机的信号采集系统。
数据采集系统的体系结构
数据采集作为监测设备的关键技术，近年来在这方面做了大量的工作。设计了一种基于FPGA的嵌入式并行数据采集系统合理划分和分配高速和低速A/D[5]。相反，它使用了高速a /D转换器和分层II系列FPGA进行数据采集和处理，其中主要贡献是该系统采用紧凑的外围组件互连，具有模块化、坚固性和可扩展性等特点。但在特殊情况下需要进行远程控制，本文介绍了该方法基于Windows CE和-嵌入式操作系统平台，设计了一种采用GPRS无线技术的远程采集与控制系统[7-8]。为了实现多用户的数据共享，提出了一种多用户数据共享的方法利用ARM9和Linux操作系统[9]搭建了嵌入式动态数据采集管理与发布网站。设计了一种基于ARM7微处理器LPC2290的嵌入式实时数据采集终端设备，解决了多通道小信号实时采集和多通道传输[10]的问题。另一方面，两个并行dsp系统专用于旋转机械上的数据采集，利用内部信号调节器使传感器输出适应采集的输入范围，然后通过设计软件对信号进行后处理，虽然最常见的结构是使用DAS和基于fpga的程序，而且这些程序也依赖于DAS的成本。
为了满足低功耗、低成本、低机动性的市场需求，本文图1给出了数据采集系统的总体设计结构图。系统通过SPI接口将三轴加速度传感器采集的数据采集到12位内A/D转换模块的STM32控制器中，该过程是非干扰的并行采集。本系统采用240x400液晶显示屏和触摸屏模块实时显示采集到的数据。
图1 系统硬件架构
2.1 STM32微控制器
作为我们系统中处理器的32位RISC STM32F103VET6，与同类产品相比，STM32F103VET6工作在72MHZ，具有强大的性能和低功耗，实时和低成本的特点。 处理器包括：512K FLASH，64K SRAM，它将使用包含CAN总线，USB2.0 SLAVE模式和以太网接口的五个串行端口进行通信，还包括两个RS232端口。 本文系统通过SPI总线接口扩展了SST25VF016B串行存储器，在收集大量数据时将其视为临时存储器，此外，我们还有12位分辨率的A / D转换器，最快转换为 1us，具有3.6 V满量程系统。 除了设计系统电源电路，复位电路，RTC电路和GPIO端口以保证系统需要和正常运行。
2.2数据采集
机器状态是否正常主要取决于振动信号。 本文为了获取旋转机械转子的振动数据，我们使用了振动加速度传感器MMA7455L，它可以收集自由规模公司轴x，y和z的数据。 这种振动加速度传感器具有成本低，体积小，灵敏度高，动态范围大，干扰小的优点。 MMA7455L主要由重力感应单元和信号调理电路组成，并且该传感器将在信号预处理之前放大微小数据。
在我们系统的数据采集过程中，采样阶段的误差主要是由量化引起的，误差取决于A / D转换器的位，当我们将最大电压视为V max时，AD转换器位为n ，量化Q = V max / 2n，那么，量化误差在[ - q / 2，q / 2] [13]中遵循均匀分布。
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