多路模拟信号采集电路毕业论文1 绪论1.1 课题来源及研究的目的和意义近年来，数据采集与处理的新技术、新方法，直接或间接地引发其革新和变化，实时监控(远程监控)与仿真技术(包括传感器、数据采集、微机芯片数据、可编程控制器PLC、现场总线处理、流程控制、曲线与动画显示、自动故障诊断与报表输出等)把数据采集与处理技术提高到一个崭新的水平。

“数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。

相应的系统称为数据采集系统。

从严格意义上说，数据采集系统应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算，以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。

总之，不论在哪个应用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。

数据采集系统的任务，具体地说，就是传感器从被测对象获取有用信息，并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的处理，得出所需的数据。

同时，将计算得到的数据进行显示、储存或打印，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进行某些物理量的控制。

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的要求[1]。

现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)的出现是超大规模集成电路(VLSI)技术和计算机辅助设计(CAD)技术发展的结果，是当代电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的硬件描述语言的可修改性、高集成性、高速低功耗、开发周期短、硬件与软件并行性决定了它的崛起是必然的趋势。

现场可编程门阵列FPGA器件是Xilinx公司1985年首家推出的，它是一种新型的高密度PLD，采用CMOS-SRAM工艺制作，其部由许多独立的可编程逻辑模块(CLB)组成，逻辑块之间可以灵活的相互连接。

CLB的功能很强，不仅能够实现逻辑函数，还可配置成RAM等复杂的形式。

配置数据存放在片的SRAM或者熔丝图上，基于SRAM的FPGA器件工作前需要从芯片外部加载配置数据。

配置数据可以存储在片外的EPROM 或者计算机上，设计人员可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场可编程[2][3]。

1.2 数据采集系统研究现状随着数字化进程的加快，工业生产和科学研究等各个领域对数据采集提出了更高的要求。

数据采集作为信息处理系统的最前端，从广义上讲，主要包括以下几个方面：数据的采集、数据的存储、数据的初步处理等，并且一般需要通过PC接口总线将数据送入计算机，根据不同的需要进行相应的算法处理。

简言之，数据采集系统的主要任务就是把输入的模拟信号转换成数字信号，并对其进行处理，为进一步操作做准备。

数据采集技术已经在雷达系统、通信设备、水声探测、遥感探测、语音处理、智能仪器设备、工业自动化系统以及生物医学工程等众多领域得到广泛的应用，并取得了巨大的经济效益和提高了工作效率。

随着工业化和现代化水平的不断发展，以数据采集系统为核心的设备迅速在国外得到了广泛的应用，且对数据采集的要求日益提高。

数据采集系统追求的主要目标有两个：一是精度高，二是速度快，一般是在保证精度的前提下提高速度；提高数据采集的速度主要是提高了工作效率和扩大数据采集系统的适用围。

目前，数据采集系统一般从数字信号处理器(DSP)和总线技术两个方面进行技术改进以提高精度和速度。

随着电子技术和计算机技术的不断发展，高性能DSP芯片层出不穷，新型高速、高分辨率的数据转换部件不断涌现。

数据采集系统的接口方式也己经拓展到ISA、PCI、USB、EIEEl394及VXI、PXI等多种总线接口，USB总线由于具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，其中USB2．0标准有着高达480Mbs的理论传输速率(USB3．0标准也已经发布)，已经逐渐成为计算机接口的主流。

目前形成了以插卡式和便携式为主的两种产品，数据采集系统可分为基于板卡的集中式数据采集系统和基于分布式的数据采集系统。

集中式的基本方式是采用数据采集卡进行数据采集，将一块基于ISA或PCI的板卡插入PC机上，把外部信号引至计算机的端口然后接入数据采集卡，通过定制的软件就可以进行采集，其显著优点是成本较低、速度块。

但是，采用板卡安装麻烦、价格昂贵、易受干扰，同时由于计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备。

分布式的基本方式之一是智能采集模块记录信号，通过一些通用总线如RS232，RS485进行传送，或者采用基于现场总线的数据采集模块，流行的现场总线如CAN 总线等，通过现场总线将智能采集模块引入计算机，上位机通过定制的软件和智能模块通信。

它的优点是易维护、布线简单、可靠性高；缺点是由于接口总线的限制使得采样速度远远低于集中式数据采集系统。

随着接口总线的进步，分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势[4]。

1.3 课题的提出与任务要求数据采集存储系统目前在环境感知，图像处理、语音识别、通信等领域有着广泛的应用，它用于实时、高速地采集和记录应用领域的各项参数信息。

随着应用领域的不断深入，信号分辨率、采样率，数据存储容量，存储时间等要求都大幅提升，设备可靠性和实时性要求也越来越高，因此高精度、高可靠性的大容量数据采集存储系统就显得尤为重要，而且抗冲击干扰能力、可扩展性及可移植性等方面因素都必须严格考虑处理[5][6]。

虽然目前市场上有很多不同类型的数据采集产品，但这些产品还存在着诸如功能单一，通用性差，操作复杂，不能适用于差别很大的环境等问题，这些都严重的限制了产品的应用围，这迫使我们必须从实际出发，设计一套速度高，采集精度高，应用围广的素具采集系统，本课题正是为实现这一目的而提出。

本课题的主要目的就是：对16路模拟信号进行AD转换，通过FPGA将转换得到的数据存储到FLASH存储器中。

并能通过FPGA读出FLASH存储器中的数据。

技术要求如下：（1）信号采集电平围：0-5VDC；（2）采样位数：16bits（3）每通道采样率：40KHz；（4）能够完成FLASH的读写、擦除操作。

2 系统硬件电路的设计根据电路参数及其各项要求，提出整体设计方案，其整体框图如图2.1所示。

图2.1 整体设计方案以上系统由多路模拟量数据采集模块、FPGA中心控制模块、flash存储模块以及其它外围辅助电路组成。

多路模拟量数据采集模块是此设计中的重要环节，决定着获取信号的质量和采集测试的精度。

模拟信号的采集电路通常由模拟多路开关、电压跟随器、A/D转换器等部分组成。

其中模拟多路开关的作用是切换各路输入信号，使得不同通道的模拟量被有序地送入A/D转换器；电压跟随器用来对所采集的模拟量进行信号调理，从而获得更准确的被测量；A/D转换器是整个系统性能优异与否的关键，它的性能将直接影响整个数据采集系统。

FPGA中心控制模块由FPGA及外围电路组成。

FPGA是控制模块的核心部分，主要完成通道选择、A/D转换器的时序控制、数据的存储以及相应的控制逻辑等控制任务。

FLASH存储器模块在系统中主要完成数字信息的存储。

当A/D转换结束后，FPGA 给存储模块一个写信号，将转换后的数据存入FLASH存储器中。

根据整体设计方案，将各个模块细化，得到系统整体结构图如图2.2所示图2.2 系统整体结构图总结如下：模拟信号输入端的输入信号为需要采集的模拟信号，一般由传感器提供；信号调理电路的主要作用是滤掉干扰，使传感器输入的被测模拟量更加准确；A/D转换使模拟量转换成数字量，以便实现数据采集的目的；FPGA提供整个系统的控制信号，让整个系统正常有序的工作；FIFO用来提供对采样后的数据进行缓存。

数据采集存储系统工作可靠与稳定主要取决于信号采集、信号调理，数据传输以及数据存储四大模块设计。

数据采集与存储控制模块均采用Xilinx 公司的Spartan-Ⅱ系列FPGA 中的XC2S100实现。

它作为控制器具有时钟频率高，编程配置灵活，部延时小，运行速度快，I/O 端口多，配以IP 软核，本身集采样控制、处理、缓存、传输控制、通信于一个芯片，各方面均满足系统对实时性和同步性的要求[7]。

2.1 信号采集及调理模块信号采集模块FPGA 对其外围设备的控制全部通过I/O 端口进行控制，极大地提高了系统的采集速度。

部分应用如图2.3：图2.3 前端输入电路模拟信号主要测量的是冲击量、振动量、缓变（温度、压力等）和系统电量参数信息,并且留有备用采集通道。

冲击、振动、缓变模拟量接入由单电源轨至轨运算放大器OPA4340 构成的电压跟随器，16 路模拟量数据通过信号放大调理电路接入一片16 路高速模拟选择开关ADG706，通过中控FPGA 选通将所选模拟量输入16 位高速逐次逼近型模数转换器ADS8402，将模拟信号转换为数字信号；ADG706 模拟开关的切换时间42ns，16 路切换频率至少能可靠满足采样频率大于400 KHz 的模拟量信号。

ADS8402 采样转换时间仅需610ns，转换速度可达1.25MHz，转换时钟依靠部产生，避免因数字接口以及参考时钟和外部转换器之间产生的交界面抖动。

数字接口提供8 位和16 位两种选择增加了与控制器连接的灵活性，不受管脚资源的限制。

本设计使用ADS8402 部参考电压Vref=4.096V 作为基准，但是16 路模拟量输出电压围均为0～5V；超过了ADC 的输入电压量程，需要线性运算电路变换由模拟开关ADG706 输出的信号幅度以适合ADS8402 的输入信号围[8][9][10]。

从传感器输入的所有模拟信号围都是0—5 V，输入阻抗要求大于1 M欧，由于电源模块的输出电压只有5 V，所以为了保证信号的完整性，设计中选用了具有轨对轨输出特性的运算放大器0PA4340，并进行了适当的分压及阻抗匹配处理，对输出也进行了适当的滤波处理，图2.4为设计中用到的信号调理电路。

图2.4 单路信号调理电路2.2 通道选择电路设计中要求采集16路模拟信号，为降低系统成本和减小体积，采用公共A/D转换电路，用1片16选1的模拟多路开关来实现通道的选取。

2.2.1 模拟多路开关的选择选择多路开关时，通常考虑以下几个参数：（1）通道数量：通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响，因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大。

平常使用的模拟开关，在选通其中一路时，其它各路并没有真正断开，只是处于高阻状态，仍存在漏电流，对导通的信号产生影响；通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。