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Xilinx Kintex-7系列FPGA高速采集卡中文资料基于Xilinx Kintex-7 FPGA，XC7K160/325/410T FBV676可选，DDR3 256MB/512MB可选，NOR FLASH 256Mb，可根据开发需求自由搭配，成本可控；工业级FMC连接器，支持高速ADC和DAC等FMC标准模块；PCI Express 2.0标准，提供PCIe x2高速数据传输接口，单通道通信速率可高达5GBaud； Serial Rapid I/O，提供SRIO x2高速数据传输接口，单通道通信速率可高达5GBaud； SFP+光纤接口，传输速率可高达10Gbit/s；集成千兆网及I2C等常见接口，拓展能力强；提供板卡原理图和丰富的开发例程，入门简单。
图 1 Xilinx Kintex-7 FPGA基本参数图 2 TL-K7FMC采集卡正面图图 3 TL-K7FMC采集卡侧视图1图 4 TL-K7FMC采集卡侧视图2图 5 TL-K7FMC采集卡侧视图3图 6 TL-K7FMC采集卡侧视图4TL-K7FMC采集卡是一款由广州创龙基于Xilinx Kintex-7系列FPGA自主研发的FMC数据采集卡，可配套广州创龙TMS320C6655、TMS320C6657、TMS320C6678开发板使用。
TL-K7FMC采集卡完全支持PCI Express 2.0标准，串行高速输入输出SRIO总线通过HDMI接口提供稳定、可靠的高速传输能力，为产品的快速成型提供极大的便利。
TL-K7FMC 采集卡的FMC接口不仅简化了I/O接口模块设计，提供高速的接口通信能力，而且提高了模块的利用率，标准化设计使产品有更好的通用性。
1 典型运用领域✓ 高速数据采集系统 ✓ 音视频数据处理系统 ✓ 图像处理设备 ✓ 软件无线电设备 ✓ 通信系统 ✓ 高精度仪器仪表 ✓ 高端数控系统2 软硬件参数硬件参数Kintex-7Xilinx® 7 series28nm Technology Low Cost FPGAKintex-XADCCDCM 61002DDR3SPI FLASHEEPROM AT24C02UARTJTAGOSC 25MHzPHYASP-134488-01400PIN ArrayRESETLED710-1100-304848PIN 2.54mmPCIE GEN2 x4Serial Rapid IOx2SFP+图 7 TL-K7FMC 采集卡硬件框图图8 TL-K7FMC硬件资源图解1图9 TL-K7FMC硬件资源图解2表1CPU Xilinx Kintex-7 FPGA，XC7K160/325/410T FBV676 RAM 256MByte/512MByte DDR3ROM 256MBit NOR FLASHEEPROM 2KBit网络10/100/1000M ETHERNET光纤接口1x SFP+LED1x 供电指示灯3x 可编程指示灯按键1x 复位按键2x 用户可编程按键拓展IO 1x SRIO TX，1x SRIO RX，2通道，单通道最高速率5GBaud，HDMI座1x PCIe 4x(Gen2)，2通道，单通道最高通信速率5GBaud2x 48pin欧式连接器，GPIO拓展1x I2C，HDMI座1x PMOD1x XADC1x FMC，400pin仿真器接口1x 14pin JTAG接口，间距2.00mm启动方式1x 2bit启动方式选择拨码开关串口1x UART，Micro USB接口，提供4针TTL电平测试端口电源开关1x 电源拨码开关电源接口1x 12V 2A直流输入DC005电源接口，外径5.5mm，内径2.1mm 软件参数表 2Vivado版本号2015.23开发资料●提供采集卡原理图、入门教程、丰富的Demo程序；●提供与DSP通信教程，完美解决DSP+FPGA异构平台通信开发瓶颈；●提供完整的软件开发包，以及配套的开发文档。
第一章课题研究概述1.1课题研究的目的和意义在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。
测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。
目前常用的测频方案有三种：方案一：完全按定义式Ｆ＝ＮＴ进行测量。
被测信号Ｆx经放大整形形成时标ГX，晶振经分频形成时基TR。
用时基TR开闸门，累计时标ГX 的个数，则有公式可得Ｆx=1ГX=NTR。
此方案为传统的测频方案，其测量精度将随被测信号频率的下降而降低。
方案二：对被信号的周期进行测量，再利用Ｆ＝１Ｔ（频率＝１周期）可得频率。
测周期时，晶振ＦR经分频形成时标ГX，被测信号经放在整形形成时基TＸ控制闸门。
闸门输出的计数脉冲Ｎ＝ГXTR，则TX=NГX。
但当被测信号的周期较短时，会使精度大大下降。
方案三：等精度测频，按定义式Ｆ＝ＮＴ进行测量，但闸门时间随被测信号的频率变化而变化。
如图１所示，被测信号Ｆx经放大整形形成时标ГX，将时标ГX经编程处理后形成时基TR。
用时基TR开闸门，累计时标ГX的个数，则有公式可得Ｆx=1ГX=NTR。
此方案闸门时间随被测信号的频率变化而变化，其测量精度将不会随着被测信号频率的下降而降。
本次实验设计中采用的是第三种测频方案。
等精度频率计是数字电路中的一个典型应用，其总体设计方案有两种：方案一：采用数字逻辑电路制作，用IC拼凑焊接实现。
其特点是直接用现成的IC组合而成，简单方便，但由于使用的器件较多，连线复杂，体积大，功耗大，焊点和线路较多将使成品稳定度与精确度大打折扣，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。
方案二：采用可编程逻辑器件（CPLD）制作。
随着现场可编程门阵列FPGA的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用VHDL等硬件描述语言语言，将使整个系统大大简化，提高了系统的整体性能和可靠性。
高速数据采集卡的设计
孙冀伟;祁载康;沈吉;张伟
【期刊名称】《数据采集与处理》
【年(卷),期】2003(018)003
【摘要】为了满足对雷达信号高速采集的要求,设计了一个基于16位ISA总线的30MSPS的双通道数据采集卡.该采集卡的最大特点是可以由程序设定每次同步触发后的采样延迟时间和采样的点数.本文对A/D转换及其接口电路,D/A转换电路存储器接口电路及延迟采样控制电路进行了详细论述.
【总页数】4页(P323-326)
【作者】孙冀伟;祁载康;沈吉;张伟
【作者单位】北京理工大学机电工程学院,北京,100081;北京理工大学机电工程学院,北京,100081;北京理工大学机电工程学院,北京,100081;北京理工大学机电工程学院,北京,100081
【正文语种】中文
【中图分类】TP703.3
【相关文献】
1.基于PCIe总线的高速数据采集卡设计与实现 [J], 李木国;黄影;刘于之
2.基于高速数据采集卡的输电线路故障定位系统设计 [J], 张运周
3.高速数据采集卡DDR控制器的设计与实现 [J], 王晓娇;张治中
4.PCI-e高速数据采集卡的驱动与上位机软件设计 [J], 孙文硕;赛景波
5.双通道5 GS/s高速数据采集卡设计 [J], 刘鸣;孙秀男;梁昊
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㊀２０２１年㊀第２期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．２㊀基金项目：国家自然科学基金项目（６１８６５００２）；贵州省科技支撑计划项目（ＳＹ［２０１７］２８８１）；贵州大学引进人才项目（２０１６０２）；中央引导地方科技发展专项项目（［２０１７］４００４）收稿日期：２０２０－０９－２６基于ＦＰＧＡ的ＦＴＩＲ光谱仪采集系统的设计贾明俊１，陆安江１，赵㊀麒２，白忠臣１，卢学敏１，袁钱图１（１贵州大学大数据与信息工程学院，贵州贵阳㊀５５００２５；２贵州民族大学机械电子工程学院，贵州贵阳㊀５５００２５）㊀㊀摘要：为了满足人们对于食品药品安全检测快速便携的需要，团队设计一种高速便携，延时低㊁精度高的新型ＦＴＩＲ光谱仪㊂光谱采集系统分为上位机和下位机２部分，系统的上位机软件设计是采用跨平台的Ｃ＋＋图形用户界面应用程序，该框架（ＱＴＣｒｅａｔｏｒ）是由编程实现的，下位机的光电部分采用了ＭＥＭＳ微镜使仪器小型化，而下位机采集部分控制主板使用了ＺＹＢＯ㊂使用了ＤＡＣ驱动动镜移动以及ＡＤＣ用于参考光和样本光数据的同步采集，进而利用多个串口实现了与上位机的完成指令控制以及采集数据传输㊂低波特率串口用于接收上位机控制指令㊂２个高波特率串口发送ＦＩＦＯ缓存的光谱数据㊂经试验验证采集系统的ＡＤＣ㊁ＤＡＣ及ＵＡＲＴ的时序控制满足了高速高效的需求㊂但是在便携上可进一步提高，下一步考虑通过利用Ｌｉｎｕｘ将上位机部分移植ＺＹＢＯ内㊂采集控制设计完全使用了ｖｅｒｉｌｏｇ代码进行了仿真与实测，发挥了ＦＰＧＡ的灵活特性，利用例化法提高了采集速率㊂关键词：ＦＴＩＲ；光谱仪；采集；ＦＰＧＡ；ＡＤＣ；ＤＡＣ；ＵＡＲＴ；ＭＥＭＳ；ＺＹＢＯ中图分类号：ＴＨ７４４㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０２－００４７－０５ＤｅｓｉｇｎｏｆＦＴＩＲＳｐｅｃｔｒｕｍＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＦＰＧＡＪＩＡＭｉｎｇ⁃ｊｕｎ１，ＬＵＡｎ⁃ｊｉａｎｇ１，ＺＨＡＯＱｉ２，ＢＡＩＺｈｏｎｇ⁃ｃｈｅｎ１，ＬＵＸｕｅ⁃ｍｉｎ１，ＹＵＡＮＱｉａｎ⁃ｔｕ１（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＢｉｇＤａｔａａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５００２５，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｚｈｏｕＭｉｎｚｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５００２５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｐｅｏｐｌｅｆｏｒｆｏｏｄａｎｄｄｒｕｇｓａｆｅｔｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎｆａｓｔａｎｄｐｏｒｔａｂｌｅｗａｙ，ａｎｅｗＦＴＩＲｓｐｅｃ⁃ｔｒｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｐｏｒｔａｂｌｅ，ｌｏｗｄｅｌａｙａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｔｈｅｔｅａｍ．Ｓｐｅｃｔｒａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｉ⁃ｖｉｄｅｄｉｎｔｏｕｐｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｆｏｒｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒｍｏｎｉｔｏｒｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｃｒｏｓｓ⁃ｐｌａｔｆｏｒｍＣ＋＋ｇｒａｐｈｉｃａｌｕｓｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｒａｍｅｗｏｒｋ（ＱＴＣｒｅａｔｏｒ）ｔｏｍａｋｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．Ｆｏｒｔｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐａｒｔｏｆｌｏｗｅｒｕｎｉｔ，ｉｔｕｓｅｄＭＥＭＳｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓｔｏｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ａｎｄａｐａｒｔｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｍｏｎｉｔｏｒａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｂｏａｒｄｔｏｏｋａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｔｈｅＺＹＢＯｏｆＸｉｌｉｎｘ．ＤＡＣｄｒｏｖｅｍｏｔｉｏｎｍｉｒｒｏｒｍｏｖｉｎｇａｎｄＡＤＣｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅｆｅｒｔｏｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓａｃ⁃ｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｓａｍｐｌｅｌｉｇｈｔｄａｔａ，ｓｏｔｈａｔｍｕｌｔｉｐｌｅｓｅｒｉａｌｐｏｒｔｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｄａｔａａｃｑｕｉ⁃ｓｉｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｕｐｐｅｒｍｏｎｉｔｏｒ．Ｌｏｗｂａｕｄｒａｔｅｓｅｒｉａｌｐｏｒｔｗａｓｕｓｅｄｔｏｒｅｃｅｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｏｆｕｐｐｅｒｍｏｎｉｔｏｒ．ＴｗｏｈｉｇｈｂａｕｄｒａｔｅｓｍｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｂｙｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｖｅｒｉｆｙｉｎｇｔｈｅＡＤＣ．ＴｈｅｔｉｍｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｏｆＤＡＣａｎｄＵＡＲＴｍｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｔｓｐｏｒｔａｂｌｅｆｕｎｃｔｉｏｎｎｅｅｄｓｔｏｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｆｏｒｔｈｅｎｅｘｔｓｔｅｐ，ｉｔ ｓｃｏｎ⁃ｓｉｄｅｒｅｄｔｈａｔｔｈｅｕｐｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒｐａｒｔｉｓｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｄｉｎｔｏｔｈｅＺＹＢＯｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＬｉｎｕｘ．Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｒｏｌｄｅｓｉｇｎｍａｄｅｆｕｌｌｕｓｅｏｆｖｅｒｉｌｏｇｃｏｄｅｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｅｘｅｒｔｓｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅＦＰＧＡ，ａｎｄｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｒａｔｅｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＴＩＲ；ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ；ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＦＰＧＡ；ＡＤＣ；ＤＡＣ；ＵＡＲＴ；ＭＥＭＳ；ＺＹＢＯ０㊀引言因为不同物质对于红外光谱的吸收与反射情况不同，近红外光谱分析便成了分析物质的重要方法㊂ＦＴＩＲ光谱仪就是其中重要使用工具之一［１－３］，此类光谱仪广泛用于化工㊁军事㊁农牧业㊁林业㊁环保㊁制药工艺等领域㊂由于传统的光谱仪体积庞大㊁延时高㊁便携性差等缺点［４－８］，无法满足实时在线测试的需求㊂本文研究了一种实时在线的ＦＴＩＲ光谱仪［９－１０］，国内很多光谱仪都是ＣＣＤ光谱采集系统，本文利用ＦＰＧＡ高速㊁高效㊁灵活性强的优势设计了一种硬件描述语言的采集系统［１１－１５］㊂通过使用ＡＤ７９０３将采集的光ＰＤ信号转换为数字量，利用ＤＡＣ８５６８将存入ＲＯＭ的㊀㊀㊀㊀㊀４８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＦｅｂ．２０２１㊀预制电压数字量转换为模拟量从而驱动ＭＥＭＳ微镜，最终实现的快速ＦＴＩＲ光谱仪最高分辨率达到了０．０６ｃｍ－１，具有１６位的采样精度与１ＭＳＰＳ的转换速度㊂经验证，基本满足了现场在线测试需求㊂１㊀原理分析如图１所示，本次设计的干涉仪基于迈克尔逊干涉仪原理，采用分波阵面法产生干涉信号，图中虚线表示动镜移动时的位置，整个系统由动镜㊁定镜㊁窄带光源㊁分束器以及探测器构成㊂动镜与定镜相互垂直且到分束器初始距离相同，且分束器与动镜和定镜分别构成４５ʎ夹角㊂整个工作过程由光源发出入射光，入射光经过分束器，一半的入射光反射到定镜上再经过定镜全反射回分束器经透射到达光电探测器，于此同时，另一半的入射光经过透射到达ＭＥＭＳ动镜，由于动镜的移动而产生光程差，这样就会导致经过动镜全反射的光再经过分束器反射后汇聚在探测器时产生干涉，探测器将干涉信号采集下来㊂动镜的移动距离决定着干涉仪的性能㊂理想情况下，动镜的移动距离是匀速变化的，但是ＭＥＭＳ电热式微镜在不同电压情况下其弯曲度不是理想的线性，因此会导致附加谱线㊂因此本次设计的光谱仪通过增加同步采集参考光，经过ＣＰＵ利用Ｂａｕｌｔ方法最终提高采样精度㊂图１㊀干涉仪框图２㊀模块设计如图２所示，整个系统由２部分组成，分别是上位机跨平台的Ｃ＋＋图形用户界面应用程序，该框架（ＱＴＣｒｅａｔｏｒ）通过编程形成，主要功能是对下位机输送操作指令㊁对于发回的光谱数字数据进行分析并绘制光谱图㊂下位机部分有３个细分模块，第一部分是光电生成部分，系统有２路光源，分别是参考光源和样本光源，它们通过迈克尔逊干涉原理的干涉仪产生等光程差的相干干涉；由此产生的不同光强同步转换为数字量㊂第二部分由硬件底层采集电路组成，主要完成Ｉ／Ｖ转换㊁放大㊁滤波得到稳定的数据信号㊂第三部分是ＦＰＧＡ控制处理部分，用于实现对ＡＤＣ㊁ＤＡＣ㊁ＲＳ２３２的时序控制，设计出符合器件技术手册要求的ｖｅｒｉｌｏｇ时序代码，最后要将每个模块整合在一个ｔｏｐ文件下，所有时序都按要求的方式运行㊂最终通过引脚绑定至ＥＭＩＯ引出㊂最后整个系统密切配合完成光谱绘制㊂图２㊀光谱仪系统３㊀模块设计３．１㊀ＤＡＣ光谱仪分辨率可以表示一个仪器的分辨能力，对于波长为ａ１和ａ２的２个单色光，定义Δａ＝ａ１－ａ２为分辨率㊂在最大光程差ｌ处，ａ１，ａ２分别有ｎ和ｎ＋１个余弦波，定义动镜最远位移为ｌ，则有：２ｌ＝ｎ／ａ１＝（ｎ＋１）／ａ２（１）Δａ＝ａ１－ａ２（２）Δａ＝１２ｌ（３）不难得出，动镜的移动距离决定着光谱仪的分辨率，设置多分辨率的光谱仪，就需要不同最大光程差移动距离，本系统的光程差有０．０３３㊁０．０１５㊁０．０２４ｃｍ，所以驱动ＭＥＭＳ微镜就需要给出不同的电压㊂分别对应８㊁４㊁６Ｖ，这是由ＭＥＭＳ微镜移动与电压关系决定的，而且由于驱动速度不同直接影响着光谱仪动镜加速度，所以驱动频率应在建议频率之下㊂为此设置了１－２－５Ｈｚ的频率以验证最好效果㊂为了满足多通道㊁高精度㊁低延时的要求㊂选用了ＤＡＣ８５６８器件，ＤＡＣ８５６８具有８个通道㊁１６位精度㊂满足了本采集系统驱动设计需求㊂设计ＭＥＭＳ四通道等距移动即可㊂ＤＡＣ控制时序相对复杂㊂对于参考电压外接口，如果不使用就需要接电容后再接地滤波㊂ＤＡＣ８５６８的使用需要一些指令的输入，首先是将器件复位，设计选用所有通道复位到０㊂接着把ｌＤＡＣ加载引脚设置为无效㊂因为使用同步加载模式不需要加载控制㊂接下来就是ｐｏｗｅｒｏｎ步骤了，这里有２点须注意，一个就是选择ＦｌｅｘｉｂｌｅＭｏｄｅ，因为ＳｔａｔｉｃＭｏｄｅ会不断关闭内㊀㊀㊀㊀㊀第２期贾明俊等：基于ＦＰＧＡ的ＦＴＩＲ光谱仪采集系统的设计４９㊀㊀部参考，还有一个就是使用稳定的内部参考，故此选择０９０Ａ操作语句㊂在这种语句控制下，器件一直使用内部参考电压并且无需反复重启㊂最后一个语句是所有寄存器写０，输入所有指令后ＤＡＣ８５６８与普通ＤＡＣ工作方式相同，控制命令如图３定位流程㊂再通过技术手册得知主要问题在于同步脚ＳＹＮＣ何时拉高拉低和３２个ｓｃｌｋ给入㊂Ｃｌｒ直接拉高即可㊂图３㊀指令图３．２㊀ＡＤＣＡＤＣ采集数据的频率需要根据所采信号的最大频率设定，根据奈奎斯特采样定理，采样频率应该为被采频率的２倍以上，而我们一般习惯使用过采样㊂所以需要计算被采信号的最高频率ｆｍａｘ㊂根据本次设计的光谱探测范围为９００ ２６００ｎｍ，则相应的波数υ为：１／２６００ １／９００ｎｍ－１㊂根据最大移动距离Ｌ值为０．０３３ｃｍ，完成一次扫描的时间（Ｔ）在最快驱动频率５Ｈｚ情况下为０．２ｓ㊂设速度为ｖ，根据式（４）：ｆｍａｘ＝２υｖ＝２υＬＴ（４）得到最大信号频率为３．６ｋＨｚ，据此综合考虑选择了ＤＡＣ８５６８型号的ＡＤＣ器件㊂该器件具有１６位的高精度双通道模拟输入㊁吞吐速率为１ＭＳＰＳ㊁支持轨到轨的转换㊂查看技术手册，选用了符合要求的四线同步采样模式（ＣＳ模式），根据设计要求，主机通过一个片选ＣＯＮＶＥＲＴ和同一个时钟ＳＣＬＫ同时控制２个从机工作实现同步采集㊂通常所有的ＡＤＣ时序设计都是围绕技术手册进行的，第一步看ｓｃｌｋ，查看得知ｓｃｌｋ最小周期为１１．５ １６ｎｓ，但是一般选用典型时钟速率，故而选用５０ＭＨｚ时钟作为串行时钟㊂接着看ＣＮＶ，设计主要关注何时拉低拉高，同时要明确这是一个先转换后采集的过程，另外要关注保持建立时间㊂最后，ＡＤ７９０３也和大部分器件一样，下降沿数据逐渐输入，所以上升沿串行取出㊂最终利用ｖｉｖａｄｏ编写的主体代码如图４所示㊂３．３㊀ＵＡＲＴ及数据缓存设计选用了ＣＰ２１０１串口并设置４６０８００的最大图４㊀代码图波特率传输机制㊂数据采集和数据控制字宽度不一样，所以对于ＵＡＲＴ做了不同的处理，对于下位机接收ＵＡＲＴ采用普通的ＵＡＲＴ机制，１０ｂｉｔ数据，包括１个起始㊁１个结束和８ｂｉｔ数据㊂ＵＡＲＴ＿ｒｘ时刻保持等待状态，等着上位机指令㊂只要上位机有指令发出，则立刻分析㊂对于采集的数据，下位机ＵＡＲＴ＿ｔｘ采用了１６位发送方式并且例化了２个发送ｔｘ，这样做有助于提高传输速率，ＡＤＣ的数据是１６位的，所以设计１６位发送更有利于理解㊂这样做也发挥了ＦＰＧＡ灵活多变的特点㊂在数据缓冲时，利用了比较常用的ＦＩＦＯ，ＦＩＦＯ深度很大，达到１００００ｂｉｔ，之所以这样做是因为串口相对于采集的吞吐率过大，所以１ｓ内数据也需要大的缓存空间，在ＦＩＦＯ设计中最重要的是关注读写使能的设置，ＦＩＦＯ的写使能选用Ａ／Ｄ采集的ｄａｔａｒｅａｄｙ，保障了写入数据的可靠，读使能选用ｔｘ＿ｂｕｓｙ，保证了发送的有序㊂ＦＩＦＯ的空ｅｍｐｔｙ也作为ｔｘ的数据有效标识，保证了ｔｘ不传输空数据和无效数据㊂４㊀系统仿真对于整个系统的设计，遵循着自顶向下的设计方式，即首先给出设计方案整体架构，然后依据需求将系统各部分模块化，每个接口放在顶层，每个模块单独设计好，设计出满足需要的模块小单元㊂正是基于这样的原因，必须在仿真时先对模块测试是否符合需求，然后再对整体仿真，对每个用例都要测试㊂保证系统的可靠性㊂㊀㊀㊀㊀㊀５０㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＦｅｂ．２０２１㊀４．１㊀ＡＤＣ仿真对于ＡＤＣ测试代码，需要给出的激励有时钟ａｄ＿ｓｃｌｋ和输入的数字数据ａｄ＿ｓｄｏ１（２）以及启动信号ａｄ＿ｓｔａｒｔ㊂经过查看仿真图５可以看出，在时钟与信号有效时，Ａ／Ｄ数据转换并没有立即开始，直到ａｄ＿ｓｔａｒｔ启动后，数据采集才开始，片选ａｄ＿ｃｎｖ拉高㊁采集过程循环进行，ａｄ＿ｄａｔａ也输出了寄存的数值，得出结论满足时序要求㊂图５㊀ＡＤＣ仿真时序４．２㊀ＤＡＣ仿真ＤＡＣ时序首先必须有时钟ｃｌｋ㊁复位ｒｓｔ以及启动ｄａ＿ｓｔａｒｔ指令㊂查看仿真图６可以看到，在ｒｓｔ无效㊁ｃｌｋ有效时，ＤＡＣ并没有立即输出信码Ｄｉｎ，这是因为ｄａ＿ｓｔａｒｔ没有启动，时序仿真在启动ｓｔａｒｔ有效后立即进入工作状态㊂在启动信号有效时，持续进行信码输出㊂图６㊀ＤＡＣ仿真时序４．３㊀系统仿真对于ＵＡＲＴ串口没有单独测试㊂把它作为系统代码测试的一部分进行了综合仿真㊂在系统仿真图７中，仿真了上位机发送代码ｓｅｎｄｄａｔａ为８ｈ１０指令，即ＡＤＣ㊁ＤＡＣ同时工作，可以从图７看到ｒｘｄ拉低发生了接收，最后可以看到寄存器ｒｘ＿ｄａｔａ成功接收了８ｈ１０㊂可见指令正确接收㊂紧接着系统在得到ｒｘ＿ｄａｔａ的信息码后，ＡＤＣ和ＤＡＣ的ｓｔａｒｔ都拉高启动㊂ＡＤＣ和ＤＡＣ随后都进入工作模式㊂在数据有效后采集数据通过２个ＵＡＲＴ发送到发送线ｔｘｄ１和ｔｘｄ２㊂最终得出时序仿真符合要求㊂５㊀实际测试本次设计主要测试有ＤＡＣ驱动测试㊁ＡＤＣ采集测试㊂主要用到仪器有ＧＤＳ－２２０４Ａ（２００ＭＨｚ）㊁小型ＭＥＭＳ干涉仪㊁１３１０ｎｍ的近红外作为参考光源㊁ＣＰＵ主机㊂整体布局图如图８所示，示波器主要为了观察ＡＤＣ采集输入信号与ＤＡＣ的输出信号，首先测试图７㊀采集系统仿真时序ＦＰＧＡ输出电压数据与频率是否符合要求，图９是１Ｈｚ与６．６Ｖ的测试结果，可以看出三角波十分标准㊂验证了驱动没有问题，下一步就可以进行采集设置了，首先利用信号发生器产生一个三角波，然后利用ＭＡＴＬＡＢ将串口发回数据绘制出来，结果如图１０所示，虽然有少许毛刺，但是经计算是输入的２０ｋＨｚ三角波，最后在ＡＤＣ和ＤＡＣ都符合要求时，进行系统连接，最终采集的光谱信号如图１１所示，可以看出水和空气的光谱具有明显的特征差别㊂最终得出，光谱仪采集部分结果基本符合设计要求，后期进一步的光谱数据处理交由ＣＰＵ部分处理㊂图８㊀布局图图９㊀驱动电压图１０㊀采集三角波㊀㊀㊀㊀㊀第２期贾明俊等：基于ＦＰＧＡ的ＦＴＩＲ光谱仪采集系统的设计５１㊀㊀图１１㊀水和空气采集的相对强度图６㊀结论与不足设计的基于ＦＰＧＡ的光谱采集系统，经仿真论证设计满足要求，并且改变了多数利用ＡＲＭ设计驱动底层器件的现状，为广大科研人员提供了一个更为可靠的路线㊂与此同时，采用ＦＰＧＡ设计整个下位机系统，不仅缩短了开发周期，而且节约了成本㊂利用ＦＰＧＡ开发的系统不仅更加高速高效灵活，而且便携升级换代也可以发挥技术沉淀的优势㊂但是整套系统还可以进一步提高，集成度也可进一步优化㊂在下一步设计中，从ＡＲＭ与ＦＰＧＡ结合的角度出发，开发更加小型化的设备㊂参考文献：［１］㊀王国龙，高少华，朱胜杰，等．基于开路式傅里叶变换红外光谱仪现场实测法的污水处理单元ＶＯＣｓ排放核算研究［Ｊ］．环境科学学报，２０２０，４０（３）：８６５－８７０．［２］㊀李忠兵，许贤泽，乐意，等．ＦＴＩＲ光谱仪中基于定镜调整的动镜运动控制研究［Ｊ］．光谱学与光谱分析，２０１２（８）：２８１－２８４．［３］㊀李妍，李胜，高闽光，等．ＦＴＩＲ光谱仪中傅里叶插值采样方法的研究［Ｊ］．红外与激光工程，２０１８，２７９（１）：２７６－２８１．［４］㊀ＧＥＩＳＳＥＬＨ，ＷＩＮＦＩＥＬＤＪＳ，ＢＥＲＧＧＰＡ，ｅｔａｌ．Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ⁃ｍａｔｃｈｅｄｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｎｔｈｅｌｏｗ⁃ｅｎｅｒｇｙｂｒａｎｃｈｏｆｔｈｅＳｕｐｅｒ⁃ＦＲＳｆｏｒｈｉｇｈ⁃ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｗｉｔｈｌａｒｇｅ⁃ｅｍｉｔｔａｎｃｅｒｅｌａｔｉｖｉｓｔｉｃｆｒａｇｍｅｎｔｂｅａｍｓ［Ｊ］．ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ＆ＭｅｔｈｏｄｓｉｎＰｈｙｓｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈ．Ｂ，ＢｅａｍＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈＭａｔｅ⁃ｒｉａｌｓａｎｄＡｔｏｍｓ，Ｂ，２０１３，３１７：１０．１０１６／ｊ．ｉｍｂ．２０１３．０７．０６４．［５］㊀ＹＵＸＩＮＭ，ＹＡＮＧＰ，ＸＵＡＮＬ，ｅｔａｌ．Ｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｄｉｇｉｔａｌｄｒｏｐｌｅｔｐｉｐｅｔｔｉｎｇｅｎａｂｌｅｄｂｙａｐｌｕｇ⁃ａｎｄ⁃ｐｌａｙｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｐｉ⁃ｐｅｔｔｉｎｇｃｈｉｐ［Ｊ］．ＬａｂｏｎａＣｈｉｐ，２０１８，１０：１０３９［６］㊀ＭＩＬＨＯＮＥＪ，ＦＬＡＮＡＧＡＮＫ，ＮＯＲＮＢＥＲＧＭＤ，ｅｔａｌ．Ａｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｆｏｒｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｎｌｏｗ⁃ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｌａｓｍａｓ［Ｊ］．ＲｅｖｉｅｗｏｆＳｃｉ⁃ｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２０１９，９０（６）：０６３５０２．［７］㊀ＢＡＢＵＮＴＳＲＡ，ＢＡＤＡＬＹＡＮＡＧ，ＧＵＲＩＮＡＳ，ｅｔａｌ．Ｃａｐａ⁃ｂｉｌｉｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐａｃｔｈｉｇｈ⁃ｆｒｅｑｕｅｎｃｙＥＰＲ／ＥＳＥ／ＯＤＭＲｓｐｅｃ⁃ｔｒｏｍｅｔｅｒｓｂａｓｅｄｏｎａｓｅｒｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏｗａｖｅｂｒｉｄｇｅｓａｎｄａｃｒｙｏ⁃ｇｅｎ⁃ｆｒｅｅｍａｇｎｅｔｏ⁃ｏｐｔｉｃａｌｃｒｙｏｓｔａｔ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓ⁃ｏｎａｎｃｅ，２０２０，５１：１０．１００７／ｓ００７２３－０２０－０１２３５－９．［８］㊀ＧＺＡＵＫＵＵＪＬＺ，ＡＯＵＡＤＩＢ，ＭÁＴＹÁＳＬＵＫÁＣＳ，ｅｔａｌ．Ｄｅｔｅｃ⁃ｔｉｎｇｌｏｗｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎ⁃ｂａｓｅｄａｄｕｌｔｅｒａｎｔｓｉｎｗｈｅｙｐｒｏｔｅｉｎｐｏｗｄｅｒｕｓｉｎｇｂｅｎｃｈｔｏｐａｎｄｈａｎｄｈｅｌｄＮＩＲｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｓｃａｎｎｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈｐｌａｓｔｉｃＢａｇ［Ｊ］．Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，２０２０，２５（１１）：１０．３３９０／ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ２５１１２５２２．［９］㊀ＫＲＩＳＴＥＮＳＥＮＧＨ，ＫＬＡＵＳＥＮＭＭ，ＨＡＮＳＥＮＶＡ，ｅｔａｌ．Ｏｎ⁃ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｒｉｈａｌｏｍｅｔｈａｎｅｃｏｎ⁃ｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｉｎａｗａｒｍｐｕｂｌｉｃｓｗｉｍｍｉｎｇｐｏｏｌｕｓｉｎｇａｎｕｎｓｕ⁃ｐｅｒｖｉｓｅｄｍｅｍｂｒａｎｅｉｎｌｅｔｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｏｆｆ⁃ｓｉｔｅｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ［Ｊ］．ＲａｐｉｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，２０１０，２４（１）：３０－３４．［１０］㊀ＺＨＥＮＧＢＷ，ＺＨＡＮＧＷ，ＷＵＴＹ，ｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄｏｕｂｌｅ⁃ｒｉｎｇｆｕｓｉｏｎｎｅｕｔｒｏｎｔｉｍｅ⁃ｏｆ⁃ｆｌｉｇｈｔｓｐｅｃ⁃ｔｒｏｍｅｔｅｒｓｙｓｔｅｍａｔＨＬ－２Ｍ［Ｊ］．ＮｕｃｌｅａｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈ⁃ｎｉｑｕｅｓ，２０１９，３０（１２）：１７５．［１１］㊀ＴÜＲＫ，ＭＵＳＴＡＦＡ，ＴＵＮＣＥＲ，ｅｔａｌ．Ｓａｈａｄａｐｒｏｇｒａｍｌａｎａｂｉｌｉｒｋａｐｄｉｚｉｌｅｒｉｋｕｌｌａｎｌａｒａｋｋｉｋａｎａｌｌｄａｒｂｅｇｅｎｉｌｉｋｍｏｄüｌａｓｙｏｎｌｕｓｉｎｙａｌｌｅｒｉｎｒｅｔｉｍｉ：ｂｉｒＨ－Ｋｐｒüｄｎüｔüｒüｃü．（Ｔｕｒｋｉｓｈ）．［Ｊ］．ＦｉｒａｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，２１（２）：１３３－１４０．［１２］㊀ＺＥＮＧＨ，ＣＨＥＮＲ，ＺＨＡＮＧＣ，ｅｔａｌ．［ＡＣＭＰｒｅｓｓｔｈｅ２０１８ＡＣＭ／ＳＩＧＤＡＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ⁃Ｍｏｎｔｅｒｅｙ，ＣＡＬＩ⁃ＦＯＲＮＩＡ，ＵＳＡ（２０１８．０２．２５－２０１８．０２．２７）］Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２０１８ＡＣＭ／ＳＩＧＤＡＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＦｉｅｌｄ⁃ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙｓ⁃ＦＰＧＡ＼ᵡ１８－ＡＦｒａｍｅｗｏｒｋｆｏｒＧｅｎｅｒａｔｉｎｇＨｉｇｈＴｈｒｏｕｇｈｐｕｔＣＮＮＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｏｎＦＰ⁃ＧＡｓ［Ｃ］／／Ａｃｍ／ｓｉｇｄａＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ．ＡＣＭ，２０１８：１１７－１２６．［１３］㊀ＤＵＤ，ＸＵＸ，ＹＡＭＡＺＡＫＩＫ．Ａｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｓｉｌｉｃｏｎ⁃ｂａｓｅｄｈａｒｄｗａｒｅＰｌｃｂｙｍｅａｎｓｏｆｔｈｅｄｉｒｅｃｔｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｄｄｅｒｄｉａｇｒａｍｔｏｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｌａｎｇｕａｇｅ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈ⁃ｎｏｌｏｇｙ，２０１０，４９（５－８）：６１５－６２６．［１４］㊀ＬＡＮＤＭＡＮＮＣ，ＫＡＬＬＲ．Ｇｒａｐｈｉｃａｌｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎａｓａｈｉｇｈ⁃ｌｅｖｅｌｄｅｓｉｇｎｅｎｔｒｙｍｅｔｈｏｄｆｏｒＦＰＧＡ⁃ｂａｓｅｄｄａｔａａｃ⁃ｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＫｅｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，６１３：２９６－３０６．［１５］㊀ＣＨＯＩＤＧ，ＫＩＭＭＨ，ＪＥＯＮＧＪＨ，ｅｔａｌ．ＡｎＦＰＧＡｌｍｐｌｅ⁃ｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｆｌｅｘｉｂｌｅ２７－Ｍｂｐｓ８－ｓｔａｔｅＴｕｒｂｏｄｅ⁃ｃｏｄｅｒ［Ｊ］．ＥｔｒｉＪｏｕｒｎａｌ，２００７，２９（３）：３６３－３７０．作者简介：贾明俊（１９９５ ），硕士研究生，主要研究ＦＰＧＡ应用及嵌入式开发㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：５２８１９４６２１＠ｑｑ．ｃｏｍ陆安江（１９７８ ），副教授，博士，现主要从事光电子技术应用方面的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：３９１４６５６５＠ｑｑ．ｃｏｍ。
基于FPGA的图像处理系统设计与实现图像处理是计算机视觉领域中的重要技术之一，可以对图像进行增强、滤波、分割、识别等操作，广泛应用于医学图像处理、工业检测、安防监控等领域。
而FPGA（Field Programmable Gate Array）可编程门阵列，则是一种自由可编程的数字电路，具有并行处理能力和灵活性。
本文将介绍基于FPGA的图像处理系统的设计与实现。
一、系统设计流程1. 系统需求分析：首先需要明确图像处理系统的具体需求，例如实时性、处理的图像类型、处理的算法等。
根据需求，选择合适的FPGA芯片和外设。
2. 图像采集与预处理：使用图像传感器或摄像头采集图像数据，然后对图像进行预处理，如去噪、增强、颜色空间转换等，从而提高后续处理的准确性和效果。
3. 图像处理算法设计与优化：根据具体的图像处理需求，选择适合的图像处理算法，并对算法进行优化，以提高处理速度和效率。
常用的图像处理算法包括滤波、边缘检测、图像分割等。
4. FPGA硬件设计：基于选定的FPGA芯片，设计硬件电路，包括图像存储、图像处理模块、通信接口等。
通过使用硬件描述语言（如Verilog、VHDL）进行功能模块设计，并进行仿真和验证。
5. 系统集成与编程：将设计好的硬件电路与软件进行集成，包括FPGA程序编写、软件驱动开发、系统调试等。
确保系统的稳定运行和功能实现。
6. 系统测试与优化：对整个系统进行完整的测试和验证，包括功能性测试、性能测试、稳定性测试等。
根据测试结果，对系统进行优化，提高系统的性能和可靠性。
二、关键技术及挑战1. FPGA芯片选择：不同的FPGA芯片具有不同的资源和性能特点，需要根据系统需求选择合适的芯片。
一方面需要考虑芯片的处理能力和资源利用率，以满足图像处理算法的实时性和效果。
另一方面，还需要考虑芯片的功耗和成本，以便在实际应用中具有可行性。
2. 图像处理算法优化：在FPGA上实现图像处理算法需要考虑到算法的计算复杂度和存储开销。
第42卷第3期激光杂志 Vol.42，No_3 2021 年3 月L A S E R J O U R N A L M a rc h,2021•光电技术与应用•基于F P G A的光谱仪数据采集系统袁洪平，曾立波，林志鹏武汉大学电子信息学院，武汉430072摘要:傅里叶红外光谱仪高效、可靠地获得光谱数据对于后续定性和定量分析物质有着重大的意义。
使 用F P G A的并行处理能力和可自定义外设构建灵活的片内系统，配合外部硬件电路设计，提出了一种基于FP- G A的可定制高效稳定地采集、存储和传输光谱数据的系统实现方法。
阐述了基于F P G A完全使用硬件实现干 涉信号采集和存储的方法,用以提高数据采集的可靠性。
通过最终的实验结果表明，系统可以长时间稳定的运 行，解决了使用ARM进行数据采集和传输出现数据丢失的问题。
关键词：光谱仪;F P G A;自定义外设；数据采集中图分类号:TN216 文献标识码：A d o i：10. 14016/j. cnki. jgzz. 2021. 03. 153Data acquisition system of spectrometer based on FPGAYUAN Hongping,ZENG Libo,LIN ZhipengSchool o f Electronics a n d In fo rm a tio n,W uhan U niversity,W uhan430072, C hinaAbstract：The efficient and reliable acquisition of spectral data by Fourier infrared spectrom eter is significant for the subsequent qualitative and quantitative analysis of substances. Using the parallel processing capability of FPGA and the characteristic of building flexible in-c h ip system with custom izable peripheral and com bining with the design of external hardware circ u it, a system im plem entation m ethod based on FPGA can be custom ized and efficiently and stably co llec t, store and transm it spectral data was proposed. The method of interference signal acquisition and storage based on FPGA was described to improve data acquisition reliability. The final experim ental results show that the system can run stably for a long time and solve data loss in ARM data acquisition and transm ission.Key words：spectrom eter；F PG A；custom izable p e rip h e ra ls；data acquisitioni引言傅里叶红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer，FTS)能够对物质进行定性和定量分析，因此被广泛地应用于医药化工、石油、煤炭、环保等领 域[|4]。
基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现摘要：随着红外图像在军事、航天、安防等领域的广泛应用，对红外图像的实时采集和处理需求越来越高。
本文基于FPGA设计并实现了一个红外图像实时采集系统，通过系统硬件框架、图像采集流程设计以及软硬件协同优化等方面的探究，实现了高效、稳定的红外图像实时采集和传输，为相关领域的探究和应用提供了重要支持。
一、引言红外图像技术是一种利用物体发射的红外辐射进行成像分析的技术，具有透过阴郁、烟雾等不利环境的能力。
它在军事、航天、安防等领域具有重要应用价值。
红外图像的实时采集和处理对于这些领域的探究和应用至关重要，然而传统的红外图像采集系统存在采集速度慢、波动大、传输距离限制等问题。
因此，设计并实现一种基于FPGA的红外图像实时采集系统具有重要意义。
二、系统框架设计基于FPGA的红外图像实时采集系统主要由硬件和软件两个部分组成。
硬件部分包括红外探测器、FPGA开发板、存储器、图像传输模块等；软件部分主要包括图像采集控制程序和数据处理程序。
硬件框架设计接受分层结构，分为红外图像采集层、控制层、存储层和传输层四个部分。
红外图像采集层包括红外探测器和模拟-数字转换电路，负责将红外辐射信号转换为数字信号。
控制层包括FPGA芯片和时钟控制电路，负责采集信号的控制和同步。
存储层包括高速存储器和图像缓存，负责暂存采集到的红外图像数据。
传输层包括数据传输电路和网络接口，负责将采集到的图像数据传输到外部设备。
三、图像采集流程设计图像采集流程是指将红外图像转换为数字信号并存储的过程。
在红外图像采集层，红外探测器将红外辐射信号转换为模拟信号，经过模拟-数字转换电路转换成数字信号。
在控制层，FPGA芯片控制采集信号的采样频率和位宽，通过时钟控制电路实现同步。
在存储层，高速存储器负责将采集到的图像数据暂存起来，图像缓存则将暂存的图像数据进行处理和压缩。
在传输层，数据传输电路将处理和压缩后的图像数据传输到外部设备。
第37卷第6期2020年12月华东交通大学学报Journal of East China Jiaotong UniversityVol.37No.6Dec.,2020文章编号：1005-0523(2020)06-0117-07基于ZYNQ的高速数据采集系统设计张雪皎，陈剑云(华东交通大学电气与自动化工程学院，江西南昌330013)摘要：针对电能质量检测领域对数据采集系统的高精度与实时性要求，在ZYNQ SoC上，设计一种基于ZYNQ-7000和AD7606的高速多通道数据采集系统。
PQ ZYNQ的FPGA部分实现系统84集控制，ARM部分完成数据传输、存储和结果显示，4用AXI4高速通信，DMA-SG高速数据传输模式，DDR3高速存储实现对电压、电流信号的高速4集。
实验结果表明，该系统的4集误差可n达到0.02%。
关键词：高速数据4集；高精度；ZYNQ-7000；AD7606中图分类号:TP274文献标志码：A本文引用格式：张雪皎，陈剑云.基于ZYNQ的高速数据4集系统设计[J].华东交通大学学报,2020,37(6):117-123.Citation format:ZHANG X J,CHEN J Y.Design of high-speed data acquisition system based on ZYNQ[J].Journal of East China Jiaotong University,2020,37(6) :117-123.随着电网中非线性负荷用户的不断增加，电能质量问％数系统能够为电能质量分析提供准确的数据支持，是解决电能质量问题的关键依据％通系统的设计方案，控电ARM控AD、ARM+DSP及FPGA+DSP AD的方式冋。
ARM着的决控性，在工业控用，但其数据处理，能足系统的实时性。
由于DSP的性，复杂数处理能在低速系统中％FPGA的程数处理性使其在数字信号处理，但是系统的决策能力较弱[6-10]。
FPGA+DSP的⾼速AD采集处理开发详解⼀、案例说明1. Kintex-7 FPGA使⽤SRIO IP核作为Initiator，通过AD9613模块采集AD数据。
AD9613采样率为250MSPS，双通道12bit，12bit按照16bit发送，因此数据量为16bit * 2 * 250M = 8Gbps；2. AD数据通过SRIO由Kintex-7发送到C6678 DSP(Target)的0x0C3F0000~0x0C3F7FFF的地址空间，数据量为32KByte，使⽤SWRITE⽅式，期间每传16KByte数据后就发送⼀个DOORBELL信息，让C6678做乒乓处理。
Kintex-7通过SRIO与C6678连接，共4个lane，每个lane的通信速率为5Gbps，数据有效带宽为20Gbps * 80% = 16Gbps；3. 采集到的AD数据可分别通过Xilinx Vivado和TI CCS软件查看波形，并在C6678做FFT处理。
此开发案例基于创龙Kintex-7+C6678评估板TL6678F-EasyEVM进⾏。
⼆、案例框图三、案例演⽰硬件连接：将创龙AD9613⾼速AD模块TL9613/9706F（此模块集成⾼速DA，DA芯⽚为AD9706）通过FMC接⼝与评估板连接。
信号发⽣器设置成两路正弦波输出，幅度设置：1.5Vpp以及⽆直流偏置，频率设置：1MHz。
信号发⽣器的两路输出分别连接到模块的ADC_CHA、ADC_CHB。
1. FPGA端参考TL6678F-EasyEVM评估板光盘⽤户⼿册《基于下载器的程序固化与加载》⽂档中“Vivado下bit⽂件加载步骤”章节，将tl_fmc_ad9613_srio_tl6678f_xc7k325t.bit⽂件烧录到FPGA。
烧写bit⽂件时，指定调试⽂件tl_fmc_ad9613_srio_tl6678f_xc7k325t.ltx，可以观察到ILA调试信号，查看ADC采样波形。
高速数据采集与实时处理系统的设计与实现随着科技不断发展，数据在我们生活中的地位越来越重要。
特别是在工业自动化领域中，高速数据采集和实时处理系统的需求越来越大。
本文将介绍高速数据采集与实时处理系统的设计与实现。
本文主要包括以下几个方面：1. 高速数据采集系统的设计与实现2. 实时数据处理系统的设计与实现3. 系统的测试和性能优化1. 高速数据采集系统的设计与实现高速数据采集是指突破常用采集速度，进行数据采集和传输的一种技术。
在工业自动化控制中，电子元器件的响应速度非常快，因此需要实时采集数据才能更好地对工控设备进行控制和实现数据分析。
以下是高速数据采集系统的设计和实现步骤：1.1 选型硬件和软件首先需要选定采集设备和软件。
在选定硬件时需考虑采集速度、采集量、输入接口以及多通道采集等因素。
对于实时控制系统，应选用高速、稳定且可靠的硬件设备。
软件方面，根据硬件的选择，选用适当的驱动程序。
1.2 电路设计由于需要保证采集器的稳定性和可靠性，因此电路设计十分重要。
在设计电路时，需要特别注意信号放大放大电路的设计和噪声干扰的屏蔽。
在信号传输过程中，信号放大电路应具有高增益，同时应能有效地屏蔽来自外部线路的噪声干扰。
1.3 布线设计由于布线和绝缘的设计将直接影响采集数据的稳定性和准确性，因此需要采用专业的设计技术和规范，确保系统数据的稳定。
1.4 系统调试系统调试是整个设计过程中最重要的环节之一。
在进行系统调试时，应逐一对硬件设备和软件进行测试和校准。
检查系统的分辨率是否满足要求，数据采集是否准确和稳定，软件编程是否准确等等。
只有经过严格的测试和校准，才能确保实时数据采集的准确性和稳定性。
2. 实时数据处理系统的设计与实现2.1 数据处理系统的选择在设计实时数据处理系统时，选择合适的数据处理系统非常重要。
根据实际需要，选择处理器和软件。
处理器的性能要足够强大，以处理高速实时数据。
软件也要适应处理器，为系统提供有效、快速和准确的数据处理。
基于FPGA的双通道汽车涡轮增压叶片温度采集卡研制0 引言涡轮增压近年来是一个热门话题，早些年主要是大众汽车推出了一些涡轮增压车型，比如宝来、帕萨特车型就都是涡轮增压的典型代表。
最近两年，涡轮增压有方兴未艾之势，不仅大众以及通用品牌推出了小排量的1.4TSI涡轮增压和1.6T涡轮增压动力，就连一些自主品牌也纷纷大打涡轮增压的好牌。
涡轮增压实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。
它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。
当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。
汽车上安装的涡轮增压器在全负荷工作状态下其转速可达每分钟8万到12万转。
工作温度高达600～900℃。
而涡轮叶片会产生1000℃的高温，可以说它的工作条件最为恶劣。
看到这些涡轮增压工作时的照片，就不难理解配置涡轮增压发动机的车为什么容易自燃了，这就是一块烧红的铁，不出事故则已，一旦燃油泄漏，沾上高温工作中的涡轮增压器，瞬间高温会引燃汽油，继而导致爆炸。
为什么会产生这么高的温度呢？因为涡轮增压器温度=废气温度+涡轮快速转动摩擦温度+进气空气压缩温度。
不难理解涡轮烧红是正常工作状态。
改善这一工作条件的办法就是散热，涡轮本体内部有专门的机油通道(散热和润滑)和水道，通过油冷和水冷双重散热，降低增压器的温度。
1 双通道涡轮增压叶片温度采集卡针对上述情况，对增压器散热尤其重要，所以设计一套根据增压器工作温度不同而做相应调整的冷却系统。
这套系统的难点在于对涡轮叶片温度的采集。
在数据采集系统中通常采用并行数据总线方式进行控制信号传输和数据交换。
在以往的设计中，大量使用中小规模集成电路及分立元件搭建总线数据采集和控制功能模块，不仅占用较大的印制板面积，而且设计工作量大，时序控制复杂，采集速度不理想。
本科毕业设计说明书基于FPGA的高速数据采集卡的设计DESIGN OF HIGH-SPEED DATA ACQUISITION CARDBASED ON FPGA学院（部）：电气与信息工程学院专业班级：学生姓名：指导教师：年月日基于FPGA的高速数据采集卡的设计摘要论文还从宏观和微观两个方面来分析数据采集卡的各个组成部分。
从宏观上分析了采集系统中各个芯片间的数据流向、速度匹配和具体通信方式的选择等问题。
使用乒乓机制降低了数据处理的速度，来降低FPGA中的预处理难度，使FPGA处理时序余量更加充裕。
在ARM与FPGA通信方式上使用DMA传输，大大提高了数据传输的速率，并解放了后端的ARM处理器。
设计从宏观上优化数据传输的效率，充分发挥器件的性能，并提出了一些改进系统性能的方案。
从微观实现上，数据是从前端数据调理电路进入AD转换器，再由FPGA采集AD转换器输出的数据，后经过数据的触发、成帧等预处理，预处理后的数据再传输给后端的ARM处理器，最后由ARM处理器送给LCD显示。
微观实现的过程中遇到了很多问题，主要是在AD数据的采集和采集数据的传输上。
在后期的系统调试中遇到了采集数据错位、ARM与FPGA通信效率低下，还有FPGA 中预处理时序紧张等问题，通过硬件软件部分的修改，问题都得到一定程度的解决。
在整个数据采集卡的设计过程中还遇到高速PCB设计、硬件设计可靠性、设计冗余性和可扩展性等问题，这些都是硬件设计中的需要考虑和重视的问题，在论文的最后一章有详细论述。
关键词：高速数据采集,触发,高速PCB设计,高速ADC１DESIGN OF HIGH-SPEED DATA ACQUISITION CARDBASED ON FPGAABSTRACTDate acquisition is the premise of measure, the foundation of analysis and the beginning of cognition. Most precise device is based on the date acquisition. With the development of the electronic and digital technology, the speed of date transmission and the calculation of CPU are faster and faster; therefore the requirements of data acquisition and processing are more severe than before.This paper analyzes the system from Macro-and micro respect. From the macro point of view it analyzes data flowing, speed matching and the selection of specific means of communication of acquisition system and so on. We adapt ping-pong mechanism to reduce the speed of analyzing data and pre-difficult of FPGA which lead to the ease of processing Timing Margin of FPGA. DMA transfer is used as communication between ARM and FPGA which improve data transmission rates, and liberate the back-end ARM processor. From the micro point of view, data enter into the A/D converter from the front-end conditioning circuitry, FPGA collecting data on the output of A/D converter and go through the pre-operation of triggering and framing of data. After these operations, data are transmitted to the back-end of the ARM processor and then display on the LCD. A lot of difficult exited in the successful operation in the micro respect which is mainly about A/D data collection and the of transmission data. All of these issues have been settled by the revising of hardware and software.KEYWORDS：High-speed Data Acquisition, Triggering, High-speed PCB High-speed, A/D converter２1绪论1.1 引言数计算机技术在飞速发展，微机应用日益普及深入，微机在通信、自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用。
在冶金、化工、医学和电器性能测试等许多应用场合需要同时对多通道快变的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机传送，再由上位机进行数据分析处理、自动报表生成、信号波形显示和输出打印等处理。
随着大规模集成电路技木的迅速发展，微处理器、存储器、输入／输出等外围接口器件的性能不断提高，体积越来越小，价格越来越低，使数据采集器不断向智能化、小型化发展，使智能化仪器的研制已经成为当今研制的主要方向。
模拟仪器存在输出动态范围小，对大动态信号处理线性差，因而精度低、信号不可记录等缺点。
在模拟电子技术领域中，由于使用了包括模数转换器件在内的数字器件，因而在精度、简化电路结构、灵活、方便等方面取得很大的进步。
模拟技术和数字技术混合运用以综合发挥两者的优势己是电子技术发展的必然趋势。
而且微处理器由于价格越来越低，功能也不断增强。
以数字化仪器为主的数据采集处理技术越来越广泛地应用于工业过程控制及实时观察工业生产的动态及趋势。
传统获取现场数据的方法，效率低、误差大、难以输入计算机。
而数据采集器是一种具有现场实时数据采集、处理功能的自动化设备，它具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输等功能。
为现场数据的真实性、有效性、即时性、可用性提供了保证，并能方便输入计算机，已广泛应用在工业、农业、商业、交通、物流、仓储等行业。
1.2数据采集与处理系统概述数据采集与处理系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，送进计算机处理、存储、传输和显示，以便实现对某些物理量的监视；其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。
随着计算机技木的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。
在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。
在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具也是获取科学奥秘的重要手段之一。
总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时工作效率就越高，取得的经济效益就越大。
数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。
在保证精度的条件下应３有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。
1.3 数据采集卡主要的性能指标根据设计要求，本课题研制的数据采集卡主要有以下的技术指标和要求：1. 单通道模拟输入，信号最高采样率为250MSPS；2. 分辨率：8bits3. 单通道模拟输出，14位分辨率，采样率最高175MSPS；4. 支持电平、上升/下降沿等常见触发；5. 支持RS232输出；6. 八路数字I/O输出。
1.4 本文主要研究工作论文的主要任务是基于FPGA的高速数据采集卡的硬件设计，并且针对具体的方案讨论如何提高采集的性能。
这一部分在今后的进一步研究中有重要的意义，具体的研究内容如下：1. 数据采集卡的整体设计方案选择和芯片选型。
2. 各芯片间数据通信方案选择，各部分处理速度分析。
3. 高速PCB设计与调试。
4. 前端采集与FPGA预处理，整个系统的逻辑控制。
5. 高速DAC内部寄存器配置，控制模拟数据输出。
４５2 系统设计概述和主要器件选型2.1 系统设计方案整个系统是由前端模拟通道、触发电路、FPGA 数据采集预处理、数据模拟输出四部分组成。
FPGA 数据采集预处理分为A/D 数据采集、触发控制、帧控制、SDRAM 控制器四个部分，模拟数据经过A/D 装换后在FPGA 中缓冲，缓冲之后使用触发控制将采集到的数据分成512个数据点组成的数据帧，数据按照帧的顺序传输，经过SDRAM 存储后。
具体的数据采集系统的硬件结构图如下图2-1所示：图2-1 数据采集卡硬件结构图2.2 ADC 芯片选型A/D 转换器是整个采集系统的核心，系统前端模拟电压调理电路、FPGA 数据采集和后端的采集控制部分都与A/D 直接相关，A/D 芯片的选择不但关系到系统设计的性能，而且直接决定了整板设计的难度。
基于综合考虑我们选用了Analog Device 公司生产的AD9480芯片，AD9480采样率高达250MSPS 、8位转换精度，同时保持士0.25LSB 优良的微分线形误差(DNL)。
该DNL 技术指标比具有相同转换速率的同类IC 高两倍。
为了减小系统的功耗，芯片采用3.3 V 电源供电，工作时钟为差动解码时钟，内置有基准电压源和采样跟踪保持电路。
AD9480支持多路分配的TTL/CMOS 输出逻辑和低电压差分信号(LVDS)输出。
在CMOS 多路分配模式下，AD9480可以交叉存储模式或并行模式以半时钟速率在两个8bit 通道中移动数据。
当工作在LVDS 输出模式时，AD9480通过单一输出通道以全时钟速率输出数据，以达到最佳的输出性能。
由于AD9480在DNL 方面的优良性能，使其适合运用在数字示波器和网络分析仪模拟输入等要求精确明显输入信号较小的应用中，同时也适合要求高采样率和高宽带宽的应用场合。
