多路模拟信号采集电路开题报告

2.2.3模数转换器
为了能够使用数字电路处理模拟信号，必须把模拟信号转换成相应的数字信号，方能送入数字系统进行处理。我们把从模拟信号到数字信号的转换称为模－数转换。
[13]Almgren R.C. Data Acquisition and Instrument Control with Personal Computers. Electro International,1991．632~635
[14]nerjee Ayan，Sundar Dhar，Anindya.FPGA realization of a cordic based FFT proeessor for biomedical signal proeessing. MieroProeessors and Mierosystems，2001．134~141
1)单片机的时钟频率较低，各种功能都要靠软件的运行来实现，软件运行时间在整个采样时间中占很大的比例，效率低，难以适应高速数据采集系统的要求。
2)DSP的运算速度快，擅长处理密集的乘加运算，但很难完成外围的复杂硬件逻辑控制。
在高速数据采集方面，FPGA(现场可编程门阵列)有单片机和DSP无法比拟的优势。FPGA时钟频率高，内部时延小；全部控制逻辑由硬件完成，速度快、效率高，适于大数据量的高速传输控制；组成形式灵活，可以集成外围控制、译码和接口电路。[10] [11]
现代大容量、高速度的FPGA的出现，克服了上述方案的诸多不足。[14]FPGA是八十年代中期出现的新型高密度、可编程逻辑器件，它是在PAL，GAL，EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。在这些FPGA中，一般都内嵌有可配置的高速RAM、PLL、LVDS、LVTTL以及硬件乘法累加器等DSP模块，用FPGA来实现数字信号处理可以很好地解决并行性和速度问题。通过编程，可以立刻把一个通用的FPGA芯片配置成用户需要的硬件数字电路，其灵活的可配置特性，使得FPGA构成的DSP系统非常易于修改、易于测试及系统升级。这样使设计方便，设计费用降低，设计的周期减少。[15] [16]
1.3国内外研究现状
近年来，数据采集系统的控制芯片也由原来的单片机发展到数字处理芯DSP，嵌入式芯片等速度更高功能更强的芯片。在高性能数据采集系统中，通采用单片机或DSP(数字信号处理器)作为CPU，控制ADC(模/数转换器)、存器和其他外围电路的工作。但基于单片机和DSP设计的数据采集系统都有一定的不足：[9]
随着现场可编程技术的发展和应用的成熟，器件规模和品种不断增加，现场可编程IC设计和应用成本不断降低，在越来越多的领域和产品中，特别是生产批量小，更新快的数字化系统产品中，直接采用FPGA为代表的现场可编程IC来实现硬件单片集成，已成为必然趋势。[7]
全新的FPGA系列正在越来越多地替代ASIC和PDSP用作前端数字信号处理的运算。随着FPGA在数字信号处理中的大规模应用，它正在日渐深入地影响我们的生产和生活，也将在这一领域引起深刻的变革。把现代信号处理实时性的要求和FPGA芯片设计得灵活性结合起来，实现并行算法与硬件结构的优化配置，提高信号处理速度，满足现代信号处理的高速度、高可靠性要求，成为了现今我国数字信号处理的一个研究方向。因此基于科学研究和实际应用，对于基于FPGA的数据采集技术进行研究设计具有重要意义。[8]
2.2.1模拟量输入
该部主要实现信号调理。信号调理电路主要包括信号放大和信号滤波电路，因为传感器输出的信号通常比较微弱，为了能充分利用A／D转换器的满量程分辨率，就需要对输入信号进行放大。
2.2.2多路模拟开关
模拟多路开关是数据采集系统中的主要器件之一，他的作用时切换各路输入信号。在测控系统中，被测物理量通常是几个或几十个。为了降低成本和减小体积，系统中通常采用公共的采样保持器、放大器及A/D转换等器件，因此需要使用多路开关轮流把各路被测信号分时地与这些公用器件接通。
数据采集系统是计算机智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同需要进行相应的计算和处理，得出所需要的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中的一部分数据还将被控制生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。[1]
参考文献：
[1]阎石．数字电子技术基础（第四版）．北京：高等教育出版社，2002：237~255
[2]刘宝琴．数字电路与系统．北京：清华大学出版社,1998：122~145
[3]沈兰荪．高速数据采集系统的原理与应用．北京：人民邮电出版社，1995
[4]侯思祖，刘金铸，高强等．高速数据采集系统的设计及实现．工业控制计算机,1997
图2-1整体设计方案
整个系统由信号采集模块、中心控制模块、存储模块以及其它外围辅助电路组成。信号采集模块是此处测试中的重要环节，关系着获取信息的质量和采集测试的精度。模拟信号的采集电路通常由跟随器、模拟开关、A/D转换器、缓存器等部分组成。主控制模块由FPGA及外围电路组成。FPGA是控制模块的核心部分，主要完成A/D转换器的时钟选取、数据的存储计算以及相应的控制逻辑等控制任务。存储器模块在系统中主要完成数字信息的存储。
[15]A.M.Rincon.W.R.Lee and M.Slattery.The changing design.IEEE Custom Integrated Circuits Conference，1999．83~99
[16]Rabiner L R and Gold B. Theory and Application of Digital Signal Processing. Prentice-Hall Inc ,1995．93~104
[9]东方人华，王建坤．MAX+PLUSⅡ入门与提高．北京：清华大学出版社，2004
[10]张宝元．片上系统集成(SOC)时代的到来．微电子技术，2000
[11]杨林楠．基于FPGA的高速多路数据采集系统的设计．计算机工程，2007
[l2]RochitRaj，suman.SOC设计与测试.于敦山，盛世敏，田泽译．北京：北京航空航大大学出版社，2003．79~112
[5]褚振勇，翁木云．FPGA设计及应用．西安：西安电子科技大学出版社，2002
[6]杨春玲．可编程逻辑器件应用实践．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2008
[7]朱明程．数字系统现场集成技术．南京：东南大学出版社，2001．234~245
[8]杨恒，卢飞成．FPGA/VHDL快速工程实践入门与提高．北京：北京航空航天大学，2003
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，应用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。
一般数据采集系统方框图如图1-1所示：[4]
图1-1一般数据采集系统方框图
1.2FPGALeabharlann 介现场可编程门阵列FPGA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，其内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。配置数据存放在片内的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。[5] [6]
实现数字信号处理主要有两种形式：
l)使用数字信号处理器(DSP)，通过软件编程来实现。DSP以其低功耗、高速、高集成度和高性价比，在军用、工业和民用领域担负越来越重要的任务，特别是在现代信息产业，许多通信系统功能逐渐由硬件定义向软件定义的方向发展，而DSP是实行这一转变的不可缺少的核心技术。
2)应用专用集成电路芯片(ASIC)来实现。专用集成电路芯片可以实现很高的运算速度，非常适合高速信号处理系统的应用。但ASIC芯片不能重新组态，可编程能力有限，在产品发展过程中，它的功能无法任意修改或改进。因此，任何的线路改版都需要重新设计并且重新制造，这不仅增加开发成本，而且造成产品快速上市的障碍，不太适合处理算法和参数经常改变的场合。[12] [13]
2.2本课题拟采用的研究手段
本课题的主要目的就是：设计一采编器的模拟信号采集电路，实现采集48路模拟信号，并将数据存入FIFO缓存。48路模拟量中，其中36路缓变信号的采样率为640Hz/路；12路速变信号的采样率为20.48kHz/路；采样精度为8bit。
根据参数，提出整体设计方案，其系统框图如图2-1所示。
数据采集系统的核心是中心控制逻辑单元，它对整个系统进行控制和数据处理。数据采集需要经过两个必要的过程：采样和量化。采样过程是将被测的连续信号离散化，从连续信号中抽取采样信号的时刻值。采样过程由采样/保持器（S/H）完成。S/H可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定时间内保持不变；在采样方式下，S/H的输出必须跟踪模拟输入电压；在保持方式下，S/H的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，直到保持命令撤消为止。采样保持器输入的是连续信号，输出的是离散信号，即采样信号。在采样过程中，采样波形是具有一定幅度的脉冲，采样保持器输出的是对输入连续信号调制后的脉冲信号，输出信号可以看成是连续信号与脉冲信号序列的乘积。采样获得的信号仅仅是连续信号在采样时刻的值。“为了使采样信号能完全恢复连续信号的频率f(t)，采样频率必须不小于信号最高有效频率的2倍”，此定理称为采样定理。模拟信号经过采样保持后就送入模数转换器进行量化，然后将转换成的数字信号输入到中心控制逻辑单元，最后存入存储单元。[3]