总第１９５期 ２０１０年第９期 舰船电子工程 Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．３０ Ｎｏ．９ １２６
基于ＵＳＢ和ＦＰＧＡ的数据采集系统设计
黄善文王学军 （海军工程大学兵器工程系武汉４３００３３）
摘要文章从系统总体结构、硬件设计和软件设计三个方面阐述基于ＵＳＢ和ＦＰＧＡ的多通道同步数据采集与处理 系统的设计方法。系统采用ＦＰＧＡ作为主控芯片，实现了Ａ／Ｄ转换芯片的控制、数据在双ＳＲＡＭ中的乒乓缓冲控制以及 和ＵＳＢ接口芯片ＣＹ７Ｃ６８０１３Ａ的通信控制。通过ＵＳＢ驱动程序，动态链接库和ＬａｂＶＩＥＷ实现了上位机中数据的显示， 处理与存储。该系统能够满足多通道同步数据采集的要求。 关键词数据采集；ＵＳＢ；ＦＰＧＡ；ＣＹ７Ｃ６８０１３Ａ；驱动程序；ＬａｂＶＩＥＷ 中图分类号ＴＰ２７４；ＴＰ３１１
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＳＢ ａｎｄ ＦＰＧＡ
Ｈｕａｎｇ Ｓｈａｎｗｅｎ Ｗａｎｇ Ｘｕｅｊｕｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｗｅａｐｏｎｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ ４３００３３）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＳＢ ａｎｄ ＦＰＧＡ ｆｒｏｍ ｔｈｒｅｅ ａｓｐｅｃｔｓ。ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｄｏｐｔｓ ＦＰＧＡ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ．ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅ ｄａｔａ’Ｓ ｃａｃｈｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｉｎｇ－Ｐｏｎｇ ｂｕｆｆｅｒ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｍａｄｅ ｕｐ ｏｆ ｔＷＯ ＳＲＡＭ。ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＵＳＢ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｈｉｐ ＣＹ７Ｃ６８０１３Ａ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｄａｔａ’Ｓ ｄｉｓｐｌａｙ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｏｒａｇｅ ｖｉａ ｔｈｅ ＵＳＢ ｄｒｉｖｅｒｓ，Ｄｙｎａｍｉｃ Ｌｉｎｋａｂｌｅ Ｌｉ— ｂｒａｒｙ（ＤＬＬ）ａｎｄ ＬａｂＶＩＥＷ．Ｉｔ ｉｓ ａｂｌｅ ｔＯ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ． Ｋａｙ Ｗｏｒｄｓ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ＵＳＢ，ＦＰＧＡ，ＣＹ７Ｃ６８０１３Ａ，ｄｒｉｖｅｒｓ，ＬａｂＶＩＥＷ Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＰ２７４：ＴＰ３１１
第 39 卷 数字技术与应用
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
第ｌ１卷第４期 ２０１１年８月 潍坊学院学报 Ｊｏｕｒｎａ１ ｏｆ Ｗｅｉｆａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖ０１．１１ Ｎｏ．４ Ｊｕ１．２０１１
基于ＦＰＧＡ的高速数据采集系统的电路设计
王建秋
（潍坊职业学院，山东潍坊２６１０３１）
摘要：传统的高速数据采集系统设计方法是利用单片机和硬件ＦＩＦＯ对信号进行采集，但这种系统
控制单一，且不易升级。ＦＰＧＡ电路逻辑关系清晰，芯片时延性小、速度快，且可用ＶＨＤＬ或ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ
来描述其内部逻辑电路，便于修改和升级。如果在高速数据采集系统中采用ＦＰＧＡ控制器，将会极大地
提高系统的稳定性与可靠性。本文设计了一个基于ＦＰＧＡ的高速数据采集系统，对其硬件电路部分进行
了设计。
关键词：ＦＰＧＡ；数据采集系统；电路设计
中图分类号：ＴＰ２７４．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－－４２８８（２０１１）Ｏ４—００１６一Ｏ４
高速数据采集系统是现在电子信息同步实时处理系统方面的重要环节之一，在某些情况下，必须采用
高速数据采集技术才能满足信息处理的同步性与准确性。从现有的技术和产品来分析，低速、低分辨率的
数据采集技术已相当成熟，实现起来比较容易，单片ＡＤＣ即可满足要求，而目前我国的高速数据采集技术
水平相对于世界先进的水平来讲比较落后，是我国信息通讯技术的一个颈瓶。本文主要侧重基于ＦＰＧＡ
技术的高速数据采集系统硬件方面的电路设计进行研究。
ｌ数据采集系统的实现原理
本文设计的高速、高精度数据采集系统的数据功能流程如图１所示，它主要包括三大部分：第一部分
是前端的数据采集与转换，即自然信号的采集与转换的过程。第二部分是ＦＰＧＡ芯片内的功能时序的控
制模块，是通过硬件描述语言来进行的硬件的设计。第三部分是数据的存储部分与后续数据处理部分。
图１ 系统总体数据控制流程图 整个系统在加电情况之下，通过ＦＰＧＡ芯片内的Ａ／Ｄ控制模块的ＣＳ和ａ。管脚的电位来同时驱动１Ｏ 个并联的Ａ／Ｄ采集芯片群进行数据的采集与转换。Ａ／Ｄ芯片集在经历一定的时间进行数据采集与转换，
第ｌ９卷 Ｖ０１．１９ 第３期 Ｎｏ．３ 电子设计工程 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１１年２月 Ｆｅｂ．２０ｌ１
基亏ＦＰＧＡ的多路图 像采集系统的软件设计
付强，夏靖波，杨军
（西安工业大学计算机科学与工程学院，陕西西安７１００３２）
摘要：分析了现有的视频采集方案的研究现状。对如何采用ＣＣＤ摄像头采集多通道、高分辨率、高质量的图像以及
基于ＦＰＧＡ的嵌入式图像采集系统的实现方法做了研究。与传统图像采集系统相比．该系统主要利用四片视频解码
芯片ＳＡＡ７ｌ１３Ｈ和两片ＦＰＧＡ完成对四路图像的同时采集、存储和显示，能根据ＦＰＧＡ里ＵＡＲＴ模块接收到的指令
切换一路图像在ＬＣＤ或是ＶＧＡ上全屏显示。实现了对两个ＦＰＧＡ的级联配置，针对视频解码芯片ＡＤＶ７ｌ８ｌＢ，实现
了Ｉ２Ｃ总线配置、ＩＴＵ６５６解码以及数据格式的转换。并根据多次实验，对最终显示图像的抖动现象作了分析和提出解
决方法。结果证明，该系统具有低成本、高可靠、灵活性好等特点。 ，
关键词：ＳＡＡ７ｌｌ３Ｈ；ＦＰＧＡ；ＩＴＵ５６５；图像采集
中图分类号：，Ｉ’Ｐ９１９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１ １）０３—１７４—０４
Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ
ＦＵ Ｑｉａｎｇ，ＸＩＡ Ｊｉｎｇ—ｂｏ，ＹＡＮＧ Ｊｕｎ
（Ｘｉ＇ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００３２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ａｂｏｕｔ Ｖｉｄｅｏ Ｃａｐｔｕｒｅ ｓｃｈｅｍｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｈｏｗ ｔｏ ｕｓｅ ＣＣＤ
