基于FPGA的信号采集系统的设计.docx

基于FPGA的信号采集系统的设计摘要：本文提出了由现场可编程门阵列（FPGA）、高速数模转换器和USB接口组成的通用信号采集系统设计方案。设计了以FPGA为核心部件的信号采集系统，实现数据的实时采集、存储。它的优点是摆脱了软件驱动控制，信号的采集传输采用全硬件的操作方式，使系统更加稳定、高效，USB接口作为数据传输的接口，保证了数据的高速稳定传输。关键词：数据采集;FPGA;信号采集1系统总体结构本文提出的信号采集系统主要是利用FPGA芯片控制模数转换芯片对目标模拟信号进行采样，将模拟信号转换数字信号后，写入到USB接口芯片中将数据传输到PC中，利用软件编写人机交互界面，将信号数据进行存储。信号采集模块的设计功能是实现信号采集与分析，通过ADC进行模数转换，实现数据采集和采样数据的存储。如图1所示。2信号模块方案分析2.1信号采集模块方案分析信号采集模块是计算机与外界连接的桥梁，也称信号获取模块。主要完成对目标模拟信号采集，并将之转换成数字信号进行存储。该模块的主要任务是实现模拟信号的数字采集，即进行模数转换，以便进行信号的处理，本设计采用模数转换芯片（ADC）来实现。目前，主流信号采集系统大多采用MCU或者DSP作为核心部件来进行信号转换，存储器和其他外围电路来完成数据采集。但是，不论是单片机还是DSP都有缺点：单片机虽然指令丰富，编程简单，灵活的控制方式，但运行速度慢，稳定性较差，抗干扰能力较低，极大地限制了ADC的采样速度，对于目前强调高速信号处理的今天已经不太适用了。而DSP芯片虽然处理速度较快，但DSP芯片的通用输入输出接口较少，功耗较大，并且对外围设备的控制能力较弱。相反，FPGA（可编程逻辑器件）具有MCU和DSP所无法比拟的优势，它硬件采用并行机制，在性能和处理速度上优势明显，并且编程简单，设计灵活，时钟频率高，抗干扰能力强，稳定性好的优点。特定的逻辑功能由用户通过硬件描述语言（HDL）实现，设计灵活，功能可以更改。此外，FPGA还有大量可编程逻辑的片上系统，主要包括PLL（锁相环）模块和存储单元，可为总线、模块产生时钟。因此，FPGA的这些处理速度快和存储特性使其非常适合用作ADC的控制设备，以实现高速信号采集和存储控制。本文以FPGA为核心控制器，设计了数据采集系统，控制ADC对数据采样，并将采样后的数据存储到SRAM存储器中，以实现数据采集和存储的功能。2.2数据处理模块方案分析在数字信号处理方面，目前有四种实现方法，主要包括使用数字信号处理软件、芯片、单片机、FPGA等。（1）使用常用的数字信号处理软件是matlab、LabVIEW等软件编写数字信号处理软件来实现数字信号处理。它的缺点是处理速度受计算机CPU处理状态的影响，系统体积大，成本高。因其通用性和可移植性好，数据接口类型丰富，主要适用于教学和科研。（2）采用特殊的数字信号处理芯片（DSP）。这种芯片一般厂家通过内部硬件电路设计实现特定功能的数字信号处理功能，具有继承性好，运算速度快的优点，但又具有功能较单一，价格较高，应用不灵活的缺点。常见类型的芯片专门用于FFT，卷积，各种数字滤波和其他相关算法。通常用于对加工有较高要求的应用中。（3）采用MCU进行数字信号处理，单片机虽然编写程序简单，容易开发，但是，其处理速度较慢，稳定性也较差，只能实现一些简单的、对精度要求不高的数字信号处理，对于较复杂信号不能采用单片机。（4）采用通用的FPGA處理芯片。由于目前FPGA在性能和处理速度上的优势，FPGA在DSP领域应用越来越广泛。这种FPGA处理芯片的特点是采用并行机制;芯片内部有专用的硬件乘法器，可以实现快速信号处理，能够完成复杂的DSP任务。与前三种实现方式相比，FPGA芯片结构由于采用并行机制，在性能和处理速度上优势明显，并且编程简单，设计灵活，抗干扰能力强，稳定性好的优点，非常适合高速数字信号处理。在工作的第一阶段，采样数据通过FPGA接口传输到PC平台，以实现数字信号处理。在第二阶段，以通用的FPGA芯片作为核心控制器来设计数据处理模块，并设计FPGA软件来完成数字信号处理功能。3高速数据存储技术的实现一般存储芯片数据接收速度快，但无法实现系统显示模块，USB传输模块和数据处理模块的处理速度。因此，必须实现实时高速的数据存储。美光公司的mt29f256908aucabh3的NAND闪存芯片被选为系统的存储芯片。该芯片具有两个工作状态：同步和异步。该芯片采用单层存储架构的SLC，因此在同步工作状态下，数据引脚可以通过DDR模式进行读取，并且该引脚的最大读写速度可以达到200MT/s，即同时上升可以写入时钟的上升沿和下降沿。芯片的总存储容量为32GB，每个芯片分为四个目标，每个目标包含两个逻辑单元（Lun）。NAND闪存以Lun单位工作，即每个N