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基于FPGA的多通道ADC采集及DAC回放设计苏宁馨【摘要】在电子通信以及自动化等应用领域中,系统终端信号多以模拟量的形式直观存在并使用,因此模拟量采集和回放电路的设计尤为重要。
由于各系统对采集数据的速度、精度和可靠性指标的要求不同,现提出一种基于FPGA的多通道ADC模拟量采集及DAC回放电路的设计。
重点介绍了以5CEFA2F23CB规格的FPGA作为核心处理器,以VerilogHDL语言实现的采集和回放电路的设计过程,并分别采用SignalTap逻辑分析仪和示波器对数据进行捕获、分析和验证。
系统运行稳定可靠,功能完整实现,效率和精度高,可扩展性强。
【期刊名称】《太原学院学报：自然科学版》【年(卷),期】2019(037)001【总页数】6页(P60-65)【关键词】FPGA;ADC模拟量采集;DAC回放;SignalTap逻辑分析仪【作者】苏宁馨【作者单位】[1]安徽新华学院,安徽合肥230088【正文语种】中文【中图分类】TP2740 引言电子通信行业的蓬勃发展,带动了自动化、航天航空、电子制造等产业的革新。
在各产业系统终端数据的观察中,信号多以模拟量的形式直观存在并应用。
围绕系统终端模拟量采集的工作,行业上和技术上也提出了很多种方法和尝试,近年来模拟量采集电路的设计多以数模转换集成电路的形式出现,在机载系统和航天航空领域也逐渐提出了基于PLC、STM32的方式方法和尝试[1]。
由于不同系统存在环境的差异性,对多通道模拟信号采集数据的速度、精度、系统的稳定性的衡量和要求都有所不同,这就使得对采集系统提出了更高的要求。
为满足数据采集存储的可靠指标以及不同环境下的采集要求,现提出一种基于FPGA的多通道ADC模拟量采集及DAC回放电路的设计。
该电路可通过软件算法提高采集精度,并保证系统硬件电路运行的稳定性和可靠性,应用领域也得到了很好的扩展[2]。
1 系统开发工具及总体设计基于FPGA的多通道ADC模拟量采集及DAC回放设计,系统硬件部分采用Altera 公司现下最为流行的一款FPGA(Cyclone Ⅴ系列的5CEFA2F23CB核心处理器);模拟量采集部分选择ADC084S021 作为主要元件;回放部分则采用 DAC084S085 作为模拟信号回放输出。
154本文设计了基于FPGA的8通道12bit分辨率的数据采集系统,利用FPGA控制ADC128S022芯片进行数据采集和模数转换,将采样到的数据与理论值对比,经分析验证,电压值在误差范围内。
该系统设计精简,可广泛应用于实时数据采集与转换。
0 引言数据采集系统是将模拟信号转换为数字信号,利用计算机对信号进行处理[1]。
ADC是数据采集中最重要的部分之一,高精度、高速度的ADC已广泛应用于导航、手持终端、无人驾驶等领域[2]。
现场可编程门阵列的出现,令系统设计拥有高灵活性;与传统单片机作比,FPGA具有数据处理能力强、开发设计周期短等优势。
本文设计了基于FPGA的数据采集系统,选用具有8通道,12位分辨率的ADC128S022芯片,转换速率可达200ksps,利用FPGA对ADC128S022进行控制,实现数据采集,不仅可以将数据存储在RAM中,也能将数据进行处理,最后在PC机显示。
1 ADC128S022数据采集系统的工作原理和时序分析1.1 ADC128S022型数据采集系统工作原理ADC128S022中V A /4096是1bit的电压值,当模拟输入电压小于它1bit所含电压值时,输出数据是0000_0000_0000b,当输入电压比模拟电源V A 减去1bit所含电压值的1.5倍大或相等时,输出数据是1111_1111_1111b。
本设计电源采用独立的模拟供电及数字供电,数值为3.3V,模拟电源和数字电源间用串联磁珠来稳压和滤波[3]。
数据采集系统设计框图如图1所示。
模拟信号输入后,电源模块为各部分供电,在采样时钟下,FPGA对ADC128S022进行控制实现数据采集,通过四线制SPI总线与处理器进行通信[4]。
FPGA对数据进行处理后,根据需求将部分数据存储到RAM中,数据也可在PC端显示。
1.2 ADC128S022型接口时序分析按串行外设接口的时序逻辑来构造控制电路。
设备工作频率是0.8～3.2MHz,将1.92MHz(周期为520ns)设置为工作频率。
使用多通道数据采集卡的实验方法随着科技的不断进步，数据采集在许多领域中扮演着重要的角色。
多通道数据采集卡的出现，使得同时采集多个信号成为可能。
本文将介绍使用多通道数据采集卡的实验方法，帮助读者更好地了解和应用这一技术。
1. 什么是多通道数据采集卡多通道数据采集卡是一种硬件设备，用于采集多个信号。
它通常包括多个输入通道、模拟至数字转换器（ADC）、时钟源和接口等组件。
通过连接传感器、测量设备等到不同的通道上，数据采集卡可以将多个信号同时转换为数字信号，并提供给计算机进行存储、处理和分析。
2. 数据采集前的准备工作在进行实验之前，我们需要做一些准备工作。
首先，明确实验目的和所需的采集信号类型。
例如，如果需要监测温度和湿度，我们需要选择合适的传感器，并将它们连接到数据采集卡的相应通道上。
其次，确保数据采集卡和计算机之间的连接正常。
一般来说，数据采集卡通过USB、PCIe等接口与计算机连接。
根据设备型号和接口类型，我们可以选择合适的连接线缆，并确保稳定的连接。
另外，对于模拟信号的采集，我们需要进行校准和滤波处理。
校准可以提高信号的测量精度，滤波处理可以减少噪音对信号的干扰。
因此，在实验开始之前，我们应该对采集卡的设置进行调整，并根据需要进行校准和滤波操作。
3. 实验过程及应用案例在实验过程中，我们可以使用软件或编程语言来控制和接收数据。
许多数据采集卡提供了自带的软件，可以用于实时数据监测和保存。
此外，我们也可以使用LabVIEW、Python等编程语言进行数据采集和处理。
对于应用案例，我们以心电信号采集为例进行说明。
在实验中，我们可以将心电传感器连接到多通道数据采集卡的相应通道上，然后通过软件接收和记录心电信号。
通过设置采样频率和时间间隔，我们可以获取不同时间段内的心电数据。
然后，我们可以使用信号处理算法对心电信号进行滤波、去噪、心律分析等操作，以获得更有用的信息。
除了心电信号的采集，多通道数据采集卡还可以应用于许多其他领域，如振动分析、声音信号处理、工业自动化等。
基于FPGA的高速数据采集系统的设计作者：蒋洪明来源：《电子世界》2013年第12期【摘要】本设计采用了以FPGA作为主控逻辑模块，从而实现了数据的硬件采集。
设计中采用了自顶向下的方法，并将FPGA依据功能划分为几个模块，详细介绍了各个模块的设计方法和功能。
FPGA模块设计采用VHDL语言，在QuartusⅡ中实现了软件的设计和仿真。
整个系统可以实现6路最大工作频率是40kHz的模拟信号的采集和6路内部通信信号以实现自检的功能。
【关键词】FPGA；VHDL；QuartusⅡ；数据采集1.引言传统的数据采集系统，通常采用MCU或DSP作为控制模块，来控制A/D，存储器和其他一些外围电路。
这种方法编程简单，控制灵活，但缺点是控制周期长，速度慢。
特别是当A/D 本身的采样速度比较快时，MCU的慢速极大地限制了A/D高速性能的使用。
MCU的时钟频率较低并且用软件实现数据的采集，软件运行时间在整个采样时间中占的比例很大，使得采样速率较低。
---------随着数据采集对速度性能的要求越来越来高，传统的采集系统的弊端越来越明显[2-3]。
本设计采用FPGA，各模块设计使用VHDL语言，其各进程间是并行的关系。
它有MCU无法比拟的优点。
FPGA的时钟频率高，全部控制逻辑由硬件完成，实现了硬件采样，速度快。
2.系统的总体设计本数据采集系统，采用FPGA+MCU的结构，主控逻辑模块用FPGA来实现，在系统中对A/D器件进行采样控制，起到连接采样电路和MCU的桥梁作用，数据处理、远程通信及液晶显示控制等由MCU来完成。
FPGA把传统的纯粹以单片机软件操作形式的数据采集变成硬件采集[7-8]。
首先用VHDL语言来设计状态机，用MCU来启动状态机，使其控制A/D器件，实现数据采集。
并将采集到的数据存储到FPGA内部的数据缓存区FIFO中。
当FIFO存储已满时，状态机控制FIFO停止数据写入，并通知单片机取走采集数据进行下一步处理。
多通道数据采集系统的设计与实现近年来，随着科技的不断发展和数据的迅速增长，对于多通道数据采集系统的需求越来越迫切。
多通道数据采集系统旨在通过多个输入通道同时采集、传输和处理多组数据，以满足大规模数据采集和处理的需求。
本文将详细介绍多通道数据采集系统的设计与实现。
1. 系统需求分析在设计多通道数据采集系统之前，首先要明确系统的需求。
根据具体的应用场景和目标，我们需要确定以下几个方面的需求：1.1 数据采集范围：确定需要采集的数据范围，包括数据类型、数据量和采集频率等。
这将直接影响系统的硬件选择和设计参数。
1.2 数据传输和存储要求：确定数据传输和存储的方式和要求。
例如，是否需要实时传输数据，是否需要数据缓存和压缩等。
1.3 系统的实时性要求：确定系统对数据采集和处理的实时性要求。
根据实际应用场景，可以确定系统对数据延迟和响应时间的要求。
1.4 系统的可扩展性：考虑系统的可扩展性，以满足未来可能的扩展需求。
这包括硬件和软件的可扩展性。
2. 系统设计在需求分析的基础上，我们进行多通道数据采集系统的设计。
系统设计主要包括硬件设计和软件设计两个方面。
2.1 硬件设计根据需求分析中确定的数据采集范围和要求，我们选择合适的硬件设备进行数据采集。
常用的硬件设备包括传感器、模拟信号采集卡和数字信号处理器等。
2.2 传感器选择根据需要采集的数据类型，选择合适的传感器进行数据采集。
不同的传感器适用于不同的数据类型，如温度传感器、压力传感器、光传感器等。
2.3 采集卡设计针对多通道数据采集系统的特点，我们需要选择合适的模拟信号采集卡进行数据采集。
采集卡应具备多个输入通道，并能够同时采集多个通道的数据。
2.4 数字信号处理器设计针对采集到的模拟信号数据，我们需要进行数字信号处理。
选择合适的数字信号处理器进行数据处理，如滤波、采样和转换等。
2.5 软件设计针对系统的需求和硬件的设计，我们需要进行软件设计，以实现数据采集、传输和处理。
NI采集卡的多通道不同功能采集的配置操作方法1. 打开NI采集卡的配置软件：首先需要打开NI采集卡对应的配置软件，例如NI-DAQmx或者LabVIEW，这些软件提供了图形化界面和API 接口来配置和控制采集卡。
2.确定采集通道数目：在软件界面上，需要确定采集的通道数目，即同时采集的信号源数量。
根据具体应用需求，可以选择多通道采集配置。
3.配置采集参数：针对每个通道，需要配置采集参数，例如采样率、量程、触发模式等。
采样率是指每秒采样的次数，量程是指信号的幅度范围，触发模式是指启动采集的条件。
4.设定物理连接：将各个信号源与采集卡的输入端口进行物理连接。
通常，使用BNC线缆将信号源连接到采集卡的输入通道。
5.配置数据存储方式：在采集卡配置软件中，可以选择数据存储的方式。
可以选择将数据保存在计算机的硬盘中，或者直接存储在采集卡的内存中。
6.设置数据处理功能：如果需要对采集到的数据进行进一步的处理，可以在配置软件中设置数据处理功能。
例如，可以选择进行滤波、数字信号处理、实时显示等操作。
7.验证配置：在完成配置后，可以进行配置的验证。
可以通过软件提供的测试功能，发送一个已知的测试信号，并观察是否能够正确采集到该信号。
8.启动采集：完成配置后，可以启动采集操作。
可以通过配置软件提供的开关按钮或者编程接口来启动采集操作。
一旦启动，采集卡将开始按照配置的参数进行数据采集。
9. 数据后处理：采集完数据后，可以进行数据后处理操作。
可以使用MATLAB、LabVIEW等软件进行数据分析、图像显示等。
总结：NI采集卡的多通道不同功能采集的配置操作方法包括打开配置软件、确定通道数目、配置采集参数、物理连接、配置数据存储方式、设置数据处理功能、验证配置、启动采集和数据后处理。
通过这些步骤，可以正确配置NI采集卡以满足不同应用的需求。
摘要:给出了一种多通道高速数据采集系统的设计方法，与传统的采用ISA 总线的采集卡相比，具有速度快、精度高和实时性好的特点。
本设计采用了比较常用的FPGA、高速AD9051、高速FIFO 等实现了高速采集系统，用DMA 控制技术将采集到的数据直接存储到高速FIFO 中，再由单片机将数据读出，并通过USB 端口传到上位机中,最后用LabVIEW 软件开发的界面进行数据的显示和分析。
实验表明该采集系统有通信速度快，可靠，增益可调，可连续采样等特点，更加适合应用于测试系统。
关键词:高速数据采集系统；FPGA；高速FIFO；LabVIEWAbstractAbstract:This paper presented a method of designing multi-channel high-speed data acquisition system ,which with faster speed,higher precision and better real-time compared to the traditional data acquisition card that use of the ISA bus .This design uses a relatively common FPGA,high-speed AD,high-speed FIFO and 51MCU to form a data acquisition system .The collect-ed data is stored directly into the high-speed FIFO by DMA control technology,then microcontroller read out data and transmit-ted to PC through the USB port ，PC display and process the data in the interface developed by LabVIEW .Experiments show that the acquisition system has fast communication speed,performance,adjustable gain,continuous sampling features and so on,it ’s more suitable for the test system.words Key words:High-Speed Data Acquisition system ；FPGA ；High Speed FIFO ；LabVIEW 中图分类号:TP73文献标识码:B文章编号:1001-9227(2013)-01-0148-03基于嵌入式的多通道高速数据采集系统徐航１，罗巍２（1四川大学电气信息学院四川成都，610065）（2浙江大学电气学院浙江杭州，310027）收稿日期:2012-10-25作者简介：徐航（1987-），男，硕士研究生，研究方向为电子技术应用。
《基于嵌入式的多通道数据采集系统设计》篇一一、引言随着科技的不断发展，嵌入式系统在工业、医疗、军事、环保等各个领域的应用越来越广泛。
其中，多通道数据采集系统作为嵌入式系统的一个重要应用方向，对于实时监控、数据分析和控制系统具有极其重要的作用。
本文将详细介绍基于嵌入式的多通道数据采集系统的设计思路、技术实现和实际应用等方面。
二、系统设计需求分析首先，我们需要明确基于嵌入式的多通道数据采集系统的设计需求。
这包括系统需要采集的数据类型、采集通道数量、采样频率、数据传输速度、实时性要求、系统稳定性等方面的要求。
此外，还需要考虑系统的硬件环境，如供电方式、体积大小、温度湿度等因素。
针对这些需求，我们可以制定相应的设计方案和技术路线。
三、系统架构设计在明确了系统需求之后，我们需要设计系统的整体架构。
基于嵌入式的多通道数据采集系统主要包括以下几个部分：1. 数据采集模块：负责从各个通道中采集数据。
根据需求，我们可以采用不同的传感器进行数据采集，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
2. 嵌入式处理器模块：负责处理和计算采集到的数据。
我们可以选择适当的嵌入式处理器，如ARM、MIPS等，以实现高速数据处理和实时控制。
3. 数据存储和传输模块：负责将处理后的数据存储到本地或通过网络传输到上位机。
我们可以采用SD卡、Flash等存储设备进行本地存储，同时通过串口、网络等方式将数据传输到上位机进行进一步处理和分析。
4. 电源模块：为整个系统提供稳定的电源供应。
我们需要根据系统的功耗和供电环境选择合适的电源方案，如锂电池、电源适配器等。
四、技术实现在系统架构设计完成后，我们需要进行技术实现。
具体包括以下几个方面：1. 硬件选型与搭建：根据需求分析和技术要求，选择合适的硬件设备进行搭建。
这包括传感器、嵌入式处理器、存储设备、电源等。
2. 驱动程序开发：编写硬件设备的驱动程序，实现硬件设备的初始化、数据采集、数据处理等功能。
第27卷第4期计算机集成制造系统Vol.27No.4 2021年4月Computer Integrated Manufacturing Systems Apr.2021 DOI：10.13196/j.cims.2021.04.005基于FPGA的多源异构数据并行可配置采集方法李展鹏1,邹孝付"，苏雍贺1,张长志彳，陶飞1(1.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191；2.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300384)摘要:数据是支撑智能制造的关键要素，对生产各阶段数据的有效采集是实现“人一机一物一环境”制造全要素互联互通的基础。
随着制造升级发展，车间不断引入来自不同厂家,具有不同协议、不同接口的设备,使得待采集数据多源异构且采集需求不断变化。
传统数据采集设备难以并行采集多源异构数据、难以根据采集需求的动态变化对采集设备动态配置，因此提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的多源异构数据并行可配置采集方法，基于FPGA硬件并行完成对多源异构数据的监测，保证数据采集实时性;研究FPGA动态重构技术并设计了数据采集可配置方法，提升数据采集灵活性;最后，设计了验证方案,验证了所提方法的有效性。
关键词：现场可编程门阵列；多源异构;数据采集;动态重构中图分类号:TP274.2文献标识码：AConfigurable acquisition method of multi-source heterogeneous data based on FPGALIZhanpeng1,ZOUXiaofu1+,SUYonghe1,ZHANG Changzhi2,TAO Fei1(1.School of Automation Science and Electrical Engineering,Beihang University,Beijing100191,China；2.State Grid Tianjin Electronic Power Research Institute,Tianjin300384,China)Abstract:Data is a key element supporting intelligent manufacturing.With the upgrading of manufacturing,the factory continuously introduces equipment from different manufacturers with different protocols and different interfaces.Data from that equipment collected has the characteristics of multi-source heterogeneity and constantly updated.Traditional data acquisition systems are customized for specific equipment,which is difficult to achieve parallel acquisition of multi-source heterogeneous data and real-time dynamic configuration.To solve these problems,a configurable acquisition method based on Field Programmable Gate Array(FPGA)was presented.Multi-source heterogeneous data were collected in parallel to ensure the real-time data acquisition.A configurable data acquisition scheme was designed to enhance the flexibility of data acquisition.A verification scheme was designed to verify the effectiveness of the proposed method.Keywords:field programmable gate array；multi-source heterogeneity；data acquisition；dynamic reconfiguration0引言随着云计算、大数据、物联网等新一代信息技术的发展以及信息化与工业化的“深度融合”,传统制造企业不断向智能制造的方向转型升级数据是智能制造的关键要素阂，只有在制造工厂底层实现对生产数据的有效感知，才能有效地完成工厂资源管理、车间计划与排产、生产过程监控等重要工收稿日期:2020-11-12;修灯日期：2020-11-25,,Received12Nov.2020;accepted25Nov.2020.基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018YFB1500800);北京市科技重大专项资助项目(Z191100002719004)；国家电网有限公司科技资助项目(SGTJDK00DYJS2000148)0Foundation items：Project supported by the National Key Research and Develapment Program,Chi-na(No.2018YFB1500800),the Beijing Municipal Science and Technology Major Project,China(No.Z191100002719004),and the Science and Technology Foundation of State Grid Corporation,China(No.SGTJDK00DYJS2000148).第4期李展鹏等:基于FPGA的多源异构数据并行可配置采集方法1009作闪。
高精度4通道同步数据采集系统设计与实现的开题报告一、选题背景数据采集系统是现代自动化领域的重要组成部分，广泛应用于工业控制、科学研究和实验室测试等领域。
随着科技和工业不断进步，数据采集系统也面临着不断提高精度和可靠性的需求。
特别是在一些高精度实验中，数据采集系统的精度直接影响到实验的准确性和可信度。
因此，设计一种高精度的数据采集系统，具有重要的意义。
在实际应用中，很多实验需要同时采集多个信号，并实现同步采集和处理。
例如高精度的声学信号处理、多通道的心电图数据采集、医学图像处理等领域都需要实现同步的数据采集。
传统的数据采集系统难以满足这些应用的要求，因此需要设计一种高精度4通道同步数据采集系统。
二、选题意义1. 增强数据采集系统的精度和可靠性设计高精度4通道同步数据采集系统可以提高数据采集的准确性和可靠性，满足一些高精度实验的要求。
2. 推动科学技术进步高精度4通道同步数据采集系统可以用于一些高精度实验中，具有推动科学技术进步的作用。
3. 增强数据采集系统在实际应用中的适用性现代化工、电力、交通、军事等领域的自动化系统需要高精度的数据采集系统来实现各项操作，设计高精度4通道同步数据采集系统可以推动数据采集系统在实际应用中的适用性。
三、研究内容和技术路线本项目旨在完成一种高精度4通道同步数据采集系统，主要研究内容包括：1. 确定数据采集系统的参数和技术指标。
2. 选择合适的硬件平台，进行数据采集卡的选型。
3. 利用FPGA进行数据采集卡的开发，实现多通道同步采集和处理。
4. 设计数据采集系统的软件界面，实现数据的实时显示和存储。
本项目将采用以下技术路线：1. 硬件采用高速ADC芯片与FPGA模块结合实现高速的多通道数据采集。
2. 软件采用基于Python的高效数据处理算法，同时结合图像处理技术实现数据显示等功能。
四、预期成果1. 完成一种高精度、高可靠性的4通道同步数据采集系统。
2. 实现数据采集系统的硬件设计和软件设计。
・控制与检测・ 组合机床与自动化加工技术 文章编号：１００１—２２６５（２０１０）０２—００５０—０４ 基于ＦＰＧＡ的多通道数据采集卡开发
夏亮，宋宝，唐小琦 （华中科技大学国家数控工程研究中心，武汉４３００７４）
摘要：针对数控系统对信号采集和控制的要求，设计了一款高速多通道模拟数据采集板卡，该采集板卡 以ＦＰＧＡ作为主控芯片，实现多通道宽范围的模拟量信号的实时采集、简单实用的数字滤波以及通过 ＰＣ１０４总线与上位机数控系统的通信，适用于多通道的模拟量测控、高精度控制的闭环控制系统。该采 集板卡具有实用性和灵活性等特点。文中详细阐述了软硬件的设计思想及其实现方法，并在实验与实 际应用中得到验证。 关键词：数控系统；ＦＰＧＡ；数据采集；闭环控制 中图分类号：ＴＨ１６；ＴＧ６５ 文献标识码：Ａ
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｃａｒｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ＸＩＡ Ｌｉａｎｇ，ＳＯＮＧ Ｂａｏ，ＴＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｑｉ （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎｕｍｂｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎｅ ｋｉｎｄ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｓｐ ｅｅｄ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃａｒｄ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ＣＮＣ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ，ｔｈｅ ｃａｒｄ ｃａｎ ｍａｎａｇｅ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉ ｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈｒｏｕｇｈ ＰＣ１０４ Ｂｕｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ ａｎａｌｏｇ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｈｉ ａｃｃｕｒａｃｙ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ａｒｅ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｃａｒｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｄｅａ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｉｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ａｃｔｕａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＮＣ；ＦＰＧＡ；ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ
Ｏ 引言 使用通用数控系统进行二次开发时，某些专用设 备具有大量模拟和数字信号的输入和输出，而一般通 用数控系统只有伺服和主轴驱动电机及有限的Ｉ／０信 号接口，不能满足这些专用设备对信号采集和控制的 需求。因此，需要使用外接的数据采集装置。通用数 据采集卡一般都具有多路Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ及Ｉ／０接口，可满 足大部分设备的信号采集及控制需求。然而，某些设 备由于环境干扰及设备工作时的震动等原因，其模拟 信号中包含大量的噪声，这些信号需要进行复杂的数 字滤波才能使用，需要耗费数控系统处理器宝贵的处 理时间。为此，本文设计了一种基于ＦＰＧＡ的多通道 模拟量数据采集卡，除了可实现多通道实时模拟数据 的采集外，还能根据模拟信号的特点在ＦＰＧＡ中对数 据进行有效的数字滤波，然后将滤波后的数据通过 ＰＣ１０４总线传给数控系统，可大大减轻数控系统处理 器的的运行负担。 ｌ 多通道模拟量采集卡的系统结构 多通道模拟量数据采集是并行数据采集技术领域 研究的热点…，其控制核心一般采用单片机、ＤＳＰ或者 ＦＰＧＡ实现。但是，从处理速度、执行效率、总线宽度、 体积、功耗等方面考虑，ＦＰＧＡ的优势比较明显。同时， 在数据处理方面，可以充分利用ＦＰＧＡ通用或专用的 ＩＰ核，灵活有效地实现数据的高速处理。在本文设计 中，通过ＦＰＧＡ实现了简单实用的滤波器，对模拟量信 号进行快速有效的滤波处理。本文采用ＦＰＧＡ作为主 控芯片，实现模拟量数据的采集控制、数据缓存、滤波 处理、传输控制以及与ＰＣ１０４总线的通信。该板卡的 结构框架如图１所示。 采集卡由图１中的七个部分组成，主要有传感器、
收稿日期：２００９—０８—２４ 基金项目：国家自然科学基金（５０８７５０９９）；围家科技重大专项（２００９ＺＸＯｌ０ｌ０一Ｏｌ１） 作者简介：夏亮（１９８６一），男，湖北人，华中丰牛技大学硕士，研究方向为数控技术与装备，（Ｅ—ｍａｉｌ）２００８ｓｕｍｍｅｒ—ｂｒｉｇｈｔ＠１６３．ｃｏｍ。
・５０・ ２０１０年第２期 ・控制与检测・ 传感器 数据线 网 数据总缎 Ｉ ｊ ＡＤ转换 存Ｈ波 ＦＩＦＯ 量 蕉旦｝ ｌ ｊ ＰＣ １０４网ｆ ｆ ｆ
总 拟开关ｊ Ｈ运算放大器¨ ｌ据『 相 Ｌ 线 ｊ—ｌ１＿Ｉ．ｔｌ 地址总线
● Ｉ Ｕ Ｉ环｛ 专 ＦＰＧＡ
图１ 结构框架图 模拟量输入接口、模拟开关、运算放大器、ＡＤ转换器、
ＦＰＧＡ、ＰＣ１０４总线。本文设计的采集卡可通过ＰＣ１０４ 接口嵌入到数控系统中 ，硬件上的设计具有独立性， 也可以在硬件和软件上做简单的修改应用到其他嵌人 式系统之中，具有广泛的实用性和灵活性。
２关键硬件模块的设计 本文关键的硬件设计包括信号信号的采集及前置 处理、宽范同的ＡＤ转换。信号的采集及前置处理电 路主要包括原始信号的采集、转 换、选择和传输。在本设计中， 目标信号主要是各个进给轴或 主轴的速度、电流信号，一般采 集信号为电压型信号，可以直接 将信号送至采集板卡的输入接 口；当采集信号为电流型时，需 要在输入接口端配合适当的精 密电阻和电容，将电流信号转换 成电压信号，并进行简单信号硬 件滤波。 信号到达模拟开关之后，通 过ＦＰＧＡ的控制信号选通其中的
在本文中，要求对宽范围的模拟量信号实现 高精度的实时采集，因此有效的宽范围的ＡＤ转 换是关键设计之一。本文选用美国Ｂｕｒｒ—Ｂｏｗｎ公 司的ＡＤＳ７７４作为ＡＤ转换芯片，其支持双极性 输人，信号输入范围可配置，可实现四种信号输 入范围的转换，分别为：０～１０Ｖ，０～２０Ｖ一５Ｖ～ ５Ｖ，一１０Ｖ～ＩＯＶ；同时转换速度快，最大转换时间 不超过８．５ｕｓ；具有１２位高精度的数字量输出；接口方 便，易与大多数微处理器系统或其他数字系统相接，转 换过程可由微处理器控制，也可通过Ｒ／Ｃ输入运行在 完全独立的工作模式下；功耗低，最大功耗小于 ｌ２０ＭＷ。这些特点对缩短系统开发周期，增强系统稳 定性极为有利［４ｉ。其具体电路如图３所示，在本文中 对于不同电压范围的输入信号，ＡＤ转换通过跳线来处 理。具体电路图如图３右端所示。
一路信号。本文中多路模拟开关选用ＡＤ７５０３。ＡＤ７５０３ 有Ａ０、Ａ１、Ａ２三个地址选通端口和一个使能端口ＥＮ，由 ＦＰＧＡ的４个１０口控制，只有在ＥＮ：０时Ａ０、Ａ１、Ａ２的 地址才有效，Ａ２Ａ１Ａ０＝０００、００１、０１０……ｌ１１分别对应通 道１到８ 。模拟开关的电路图如图２所示。 Ｕ４ 互Ａｎａ ｌｏｇ ＿ＩＮ匝１ １３ Ｓ
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图３ ＡＤ转换 当输入模拟量信号ｕ， 在区问［０，＋１０Ｖ］或者 ［０，＋２０Ｖ］时，该信号应从引脚１３（ＩＯＶ模拟信号输入 引脚）或者引脚ｌ４（２０Ｖ模拟输入信号引脚）输入，此 时，ＡＤＳ７７４的数字输出量Ｄ为无符号二进制码，计算 公式为： ，， Ｄ＝（２”一１） （１）
１２ Ａｎａｌｏｇ Ｉ １ ｌ４ ＋Ｄｌ２Ｖ ＋Ｉ， ．Ｃ３
２ ｌ＼ ４・７“Ｆ／ｌ
１５ 一Ｄ１２Ｖ Ｉ／ 一 ｔ Ｉ＋
Ｃ４ ，ｌ ４．７ Ｆ／１５Ｖ Ｉｌ
图２模拟开关 信号经过模拟开关的选择后，通过运算放大器射 随电路传输到ＡＤ转换芯片。运算放大器的射随电路 主要起缓冲作用，提高了输入阻抗，减小输出信号对输 入的信号影响。 式中， ， 为输入模拟量信号， 为满量程。 如果模拟量从引脚１３（１０Ｖ模拟信号输入 引脚）输入，图３右端的跳线器１、３引脚短接， ４、６引脚短接，则Ｕ ＝１０Ｖ；如果从引脚１４ （２０Ｖ模拟输入引脚）输入，跳线器３、５引脚短 接，４、６引脚短接，则Ｕ， ＝２０Ｖ。最小分辨率 为１ＬＳＢ＝Ｕ 、 ／４０９５。当信号从引脚ＩＯＶ输 入，且Ｕ ＝１０Ｖ时，１ＬＳＢ＝２．４４ｍＶ；当信号从 引脚２０Ｖ输入且Ｕ ＝２０Ｖ时，ｌＬＳＢ＝４．８８ｍＶ。 当输入电压在 ， 为双极性且在区间［一５Ｖ， ＋５Ｖ］或者［～ＩＯＶ，＋１０Ｖ］时，模拟量应从引脚１３或 者引脚１４输入。此时，其输出数字量Ｄ与输入模拟电
・５１・ ・控制与检测・ 组合机床与自动化加工技术 压 之间的关系如下： …“ 如果模拟量从１３引脚输入，图３右端的跳线器１、 ３引脚短接，２、４引脚短接，最小分辨率为１ＬＳＢ＝ ２．４４ｍＶ；如果从引脚１４（２０Ｖ模拟输入引脚）输人，跳 线器３、５引脚短接，２、４引脚短接，最小分辨率为１ＬＳＢ ＝４．８８ｍＶ。
３数据采集控制与滤波的ＦＰＧＡ实现 ＡＤ转换芯片的１２位数字量通过电平转换芯片后 进人ＦＰＧＡ，ＦＰＧＡ经过一系列处理之后将结果通过电 平转换芯片送至上位机。在本文中，根据设计要求ＦＰ． ＧＡ选用Ａｌｔｅｒａ公司的ＥＰ１Ｃ３Ｔ１４４Ｃ８。ＥＰ１Ｃ３Ｔ１４４Ｃ８ 具有２９１０个逻辑单元和５９０４个存储位，足以满足设 计的要求。 数控系统的主要功能是服务于各种复杂的控制 进程，这些进程占用了数控系统的大部分时间，为减 轻数控系统上位机的负担，提高信号采集系统的可靠 性、稳定性及实时性，ＦＰＧＡ复位后，通过内部定时实 现模拟开关通道的切换，ＡＤ转换的工作状态，滤波模 块和ＦＩＦＯ寄存器等控制。上位机可以随时通过ＦＰ— ＧＡ中的数据寄存器读取到实时采集的模拟量数据。 滤波器按功能可以分为低通滤波器、高通滤波器、 带通滤波器、带阻滤波器，传输信号可以分为模拟滤波 和数字滤波 。根据数控系统的工作环境，本文除了 在硬件上采用ＬＣ、ＲＣ滤波器之外，还在ＦＰＧＡ内部实 现了数字滤波。针对不同的信号特征，ＦＰＧＡ内部的滤 波也可以采用不同的滤波方法。主要方法有程序判数 滤波、中值滤波、滑动算术平均值滤波、滑动加权平均 值滤波、放脉冲干扰平均值滤波和低通滤波。本文采 用滑动算术平均值滤波，具体实现方法在后面描述。 修改ＦＰＧＡ滤波算法的程序，可以实现其它的数字滤 波器 。 ＦＰＧＡ的设计在Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ集成编译环境中进行， 采用ＶＨＤＬ和原理图方式共同描述 。ＦＰＧＡ的功能 模块图如图１中虚线部分所示。分别包括锁相环、锁 存转换值、滤波处理、地址译码、ＦＩＦＯ寄存器５个模 块。其中数据采集模块的ＦＰＧＡ程序流程图如图４所 刁 。 其工作流程如下： ｋｅｌｋ１‘
