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一种基于 FPGA +AD7609的数据采集系统

2018-07-09
关键词: FPGA AD7609 数字处理器

  1 背景知识

  随着信息技术的发展,特别是各种数字处理器处理速度的提高,人们对数据采集系统的要求越来越高,特别是在一些需要在极短时间内完成大量数据采集的场合,对数据采集系统的速度提出了非常高的要求。

  为了实现高速、连续采样的数据采集系统,本文介绍了一种基于 FPGA +AD7609的数据采集系统的构成及技术实现。采用 FPGA 作为主模块,AD7609为数据采集模块,并设计了硬件实现电路。

  实验测试结果表明,系统结构灵活,性价比高,数据采集能力强,各项指标均达到了设计要求,具有广泛的实用性。

  2 数据采集系统的实现

  2.1 系统硬件设计

  2.1.1 主控模块FPGA

  在本设计中,FPGA主控模块使用Xilinx公司的Spartan-6产品,型号为XC6SLX9-2FTG256C。设计中使用了该系列的黑金FPGA开发板,有效地提高了开发设计进度。开发板系统结构图如下图1所示。

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  图 1 开发板系统结构图

  FPGA模块为整个系统的核心控制部分,使用硬件描述语言Verilog HDL对FPGA进行程序设计,以实现系统的整体功能要求。

  2.1.2 数据采集模块AD7609

  AD7609是一款18位、8通道、真差分、同步采样模数数据采集系统(DAS),该器件内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、18位电荷再分配逐次逼近型模数转换器(ADC)、灵活的数字滤波器、2.5 V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。其功能框图如图2所示。

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  图 2 AD7609功能框图

  AD7609采用5 V单电源供电,可以处理±10 V和±5 V真双极性差分输入信号,同时所有通道均能以高达200kSPS的吞吐速率采样。

  在此次设计中,将AD的工作方式设置为串行数据采集模式,采样率设为最高速率200kSPS,参考电压为内部基准模式,设计的电路原理图如下图3所示。

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  图 3 AD7609原理图设计

  AD7609的控制端口,连接到FPGA控制模块,通过Verilog程序进行数据的采集和控制。

  2.1.3 硬件电路的实现

  本设计中,使用Cadence软件设计了AD采集电路,进行了实物焊接和验证。其印制板PCB电路图如下图4所示。

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  图 4 印制板PCB电路图

  焊接完成,并调试成功的实物图如下图5所示。

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  图 5 前端实物电路图

  其中AD7609的控制引脚,通过排线与FPGA的IO口连接,被采集信号,从右边的CH1和2端口输入。

  2.2 系统程序设计

  2.2.1 程序流程设计

  本设计中,将AD7609的工作方式配置为串行模式,采样率200kSPS,对应的串行模式采样时序如下图6所示。

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  图 6 串行模式的采样时序图

  通过FPGA设计AD采集转换程序,根据AD7609采样要求与工作特性,设计了如下图7所示的AD采样流程图。

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  图 7 AD7609采样流程图

  2.2.2 AD7609程序设计

  AD7609能同时满足8通道的200kSPS采样,在本设计中,对通道CH1和CH2进行程序控制和设计。模块接口源程序如下图所示。

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  图 8 AD7609模块接口程序

  AD7609采集控制流程源程序如下图9所示。

  

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图 9 AD7609采集控制流程程序

  综合该模块后的RTL电路图如下图10所示。

  

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图 10 AD7609模块的RTL图

  2.2.3 仿真验证

  采用ISE14.7内部的仿真软件进行仿真验证,核心测试源程序如下图11所示。

  

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图 11 仿真测试源程序

  对用的仿真结果如下图12所示,可见完整地实现了对AD7609的功能控制。

  

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图 12 程序仿真验证结果

  2.2.4 实测验证

  首先在工作区中配置ChipScope在线调试软件,添加需要观测的数据。然后,通过该调试软件,将程序下载到主控模块的FPGA中。

  使用ChipScope在线调试软件抓取实时数据,验证硬件模块的正确性,得到如下图13所示的AD7609数据采样结果。

  

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图 13 实物数据采样结果

  本设计中,AD7609的数值转换的计算公式如下图14所示。

  

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图 14 AD7609数值转换公式

  对应图13中的数据计算过程为:(6Af6)H = (27382)D,采样得到的数值V=27382*10/131072 = 2.08908V,与实际输入电压一致。

  3 结语

  经过实验测试和计算,充分验证了本系统设计的合理性和有效性。实验数据表明,该数据采集系统运行稳定可靠,实现了对高速数据的连续采样。