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。