一种多通道视频同步采集方案
一种基于DSP和FPGA的多通道数据采集系统的设计
计 中还 采用 ＡＤＣ ８ ９模 数 转换 器。该 系统 采集信 号 频率 范围 宽、 数据 传送 量 大、数据 ００ 传 输速度 高 ， 并具 有较 强 的扩 展 能 力，并且 具有 电路 结构 简单 、功耗低 、数据 传输 方便 等优 点 ， 用于 电压 、 电流 、温度 、压 力等参量 的采集 系统 中。 可
变 为高 电平 ，指 示 Ａ ／ Ｄ转 换结 束 ，结 果 数据 已 存 入锁 存器 ，这个 信号 可用作 中断 申请 。 当 ＯＥ输
入 高 电平 时 ，输 出三 态 门打开 ，转换 结 果 的数字 量 输 出到数 据总 线上 ，采用 串行接 口方 式 。Ｆ ＧＡ Ｐ
门阵列 （ Ｐ Ａ Ｅ １ ６ ２０ ８ Ｆ Ｇ ） Ｐ Ｃ Ｑ ４ Ｃ 作为系统的控制部 系 统 选 择 Ｃｙ ｌｎ ｃｏ ｅ系 列 的 Ｅ １ ６ ２ ０ ８芯 片 ， ＰＣ Ｑ ４Ｃ Ｐ采 用 Ｔ 公 司 生 产 Ｔ ３ ０ ５ １ 芯 片 Ｉ ＭＳ ２ ＶＣ ４ ６ ’ 分 ， 过ＦＧ 通 Ｐ Ａ逻辑 控制 ＡＤ 采集 电路 进行模 拟通 ＤＳ ／
现代仪器 （ ｗ． ｄ ｒ ｉｓｒ．ｒ ．ｎ ｗｗ ｍｏ ｅｎｎ ｔ ｏｇｃ ） ｓ
一
种基于 Ｄ Ｐ和 Ｆ Ｇ Ｓ Ｐ Ａ的多通道数据采集系统的设计
吴永鹏 王章瑞 。 赵煜 滢 向前 勇
（． １西南石油大学 电子信息工程学院 成都分公 司川西 北气矿 甲醇厂 江 油 ６ １０ ） ２ ９ ７
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 ， 可
业生 产和 科学 技术研究 的各 行业 中 ， 常常 需要对 各
种数 据进行 采集 ， 如液位 、温度 、压力 、频 率等信
多通道同步数据采集系统的设计与应用
多通道同步数据采集系统的设计与应用张家田;董华强;严正国【摘要】针对微震动检波系统，设计了一种Δ⁃Σ技术的24位高分辨率的四通道同步数据采集系统。
该系统以ADS1274为核心，采用高性能MCU⁃STM32F103作为系统的控制单元，具有高分辨率、高速、低功耗和低速等四种工作方式。
采用RS 232通信接口接收上位机命令和传送数据，上位机中VB 6.0开发的数据处理软件对数据进行进一步的处理，比如对数据的波形进行显示、滤波等处理。
%A 24⁃bit high⁃resolution four⁃channel synchronous data acquisition system based on Δ⁃Σ technology was de⁃signed for the micro⁃vibration detection system. The ADS1274 is taken as the core of the system, and high performance STM32F103 as the control unit of the system. The system has four operating modes of high resolution,high speed,low power consumption and low speed. The RS 232 communication interface is used to receive the command from upper computer and transfer the data to PC. The data is further processed by data processing software developed with VB 6.0,including waveform display and filtering of the data.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】3页(P168-170)【关键词】数据采集;ADS1274;Δ-Σ技术;数据处理【作者】张家田;董华强;严正国【作者单位】光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安 710065;光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安 710065;光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安 710065【正文语种】中文【中图分类】TN911-34doi：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.05.041在现今的众多领域中，人们对众多微弱信号的测量精度要求越来越高，有一些特殊领域对精度提出较高要求的同时对多个通道信号采集的同步性也提出了较高的要求，比如石油地震勘探、测井以及微震动检测等领域，采集数据的准确性直接影响到整个系统的精度。
同步高速PCI数据采集卡,2通道同步,每通道150M采样频率。
Delay-Trigger N
Pre-Trigger M
Middle-Trigger
Post-Trigger
Digital M
N N
-trigger N
（一）、后触发采集
10
阿尔泰科技发展有限公司
触发事件 开始采集 启动采集
触发信号
数据
采集结束 开始传输数据
时间
N个数据
如上图，后触发采集是在开始采集后，等待触发事件发生，启动采集，采集完规定的数据量后停止采集。
模拟通道CH1 模拟通道CH2
模拟触 发电路
触 发 模拟触发 源 复 用 器
TRG
Interfac e Trigger bus
触发 选择
内部电路
二、触发模式 PCI8552 支持多种触发模式：后触发、预触发、中间触发、硬件延时触发。
+trigger
-trigger Analog
+trigger Tgger Event
AUX_TRGI
未用
5
PCI8552 高速数字化仪硬件使用说明书
第三章 各种信号的连接方式
第一节、AD 模拟量输入信号连接方式
第二节、外时钟输入信号连接方式
版本 6.00.00
第三节、ATR 模拟量外触发信号连接方式
注：ATR 从 AI0～AI1 的任一通道输入。 第四节、DTR 数字量外触发信号连接方式
第二节、AD 模拟量输入功能
注：括号中的单词为软件中的 AD 参数 ◆ 输入量程：±5V、±1V ◆ 转换精度：12 位(Bit)
◆ 采样频率(Frequency)：最高 150MHz 注释：各通道实际采样速率=采样速率（同步采集） ◆ 物理通道数：2 通道同步 ◆ 模拟量输入方式：单端模拟输入 ◆ 数据读取方式：DMA 方式 ◆ 存储器深度：2GB 的 RAM 存储器 ◆ 每通道存储深度：1GB ◆ 时钟源选择（OutClockSource）：内时钟、外时钟 ◆ 触发模式（TriggerMode）：中间触发、后触发、预触发、硬件延时触发 ◆ 触发源(TriggerSource)：软件触发，ATR 触发、DTR 触发、Trigger 信号触发 ◆ 触发方向：下降沿触发、上升沿触发、上下边沿均触发 ◆ 触发电平（TrigLevelVolt）：由输入量程决定 ◆ 模拟量触发源(ATR）输入源：从 AI0～AI1 的任一通道输入 ◆ 模拟量触发源(ATR）输入范围：触发电平可按 12 位精度计算，具体请参考《ATR模拟触发功能》 ◆ 触发源 DTR 输入范围：标准 TTL 电平 ◆ 耦合方式：直流、交流 ◆ 软件自动校准 ◆ 外时钟的范围为 40M～150MHz，幅值为 2Vpp ◆ 模拟输入阻抗：1MΩ(另可选 50Ω) ◆ 工作温度范围：0℃ ～ +50℃ ◆ 存储温度范围：-20℃ ～ +70℃
多通道采集器的设计
㊀２０２１年㊀第２期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．２㊀基金项目：浙江省自然科学基金项目（ＬＹ１７Ｆ０１００１２）收稿日期：２０２０－０１－１７多通道采集器的设计范㊀威，楼喜中，邢国鹏，辛崇丰，全大英（中国计量大学信息工程学院，浙江省电磁波信息技术与计量检测重点实验室，浙江杭州３１００１８）㊀㊀摘要：为了满足声呐与语音信号处理中对多通道信号同步采集和采样率可变的应用需求，提出了一种基于高性能现场可编程逻辑门阵列（ＦＰＧＡ）的多通道采集器㊂该采集器使用ＦＰＧＡ作为控制器件进行模块化设计，采用２４颗高精度模数转换器（ＡＤＣ）ＡＤ７７６８，并结合上位机控制数据采集和数据处理，实现采样率可变的１９２通道并行数据采集功能㊂实验测试表明，该采集器同步性能优于２５ｎｓ，采样率可通过上位机配置切换，数据记录速率高达１９６ＭＢ／ｓ㊂关键词：多通道；同步采集；采样率；现场可编程逻辑门阵列；模数转换器；有效位数中图分类号：ＴＮ９８㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０２－００４１－０６ＤｅｓｉｇｎｏｆＭｕｌｔｉ⁃ｃｈａｎｎｅｌＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅＦＡＮＷｅｉ，ＬＯＵＸｉ⁃ｚｈｏｎｇ，ＸＩＮＧＧｕｏ⁃ｐｅｎｇ，ＸＩＮＣｈｏｎｇ⁃ｆｅｎｇ，ＱＵＡＮＤａ⁃ｙｉｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＪｉｌｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＷａｖｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＭｅｔｒｏｌｏｇｙｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｓｏｎａｒａｎｄｓｐｅｅｃｈｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｆｏｒｍｕｌｔｉ⁃ｃｈａｎｎｅｌｓｉｇｎａｌｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓａｃ⁃ｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｖａｒｉａｂｌｅｓａｍｐｌｉｎｇｒａｔｅ，ａｍｕｌｔｉ⁃ｃｈａｎｎｅｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｂａｓｅｄｏｎｈｉｇｈ⁃ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｉｅｌｄ⁃ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｗａｓｍｏｄｕｌａｒ⁃ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｕｓｉｎｇＦＰＧＡａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｄｏｐｔｉｎｇ２４ｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎａｌｏｇ⁃ｔｏ⁃ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓＡＤ７７６８，ａｎｄｅｍｐｌｏｙｉｎｇａｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒｔｏｃｏｎｔｒｏｌｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｕｓｔｈｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆ１９２－ｃｈａｎｎｅｌｐａｒａｌｌｅｌｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｗｉｔｈａｖａｒｉａｂｌｅｓａｍｐｌｉｎｇｒａｔｅｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ＇ｓｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎ２５ｎｓ，ｔｈｅｓａｍｐｌｉｎｇｒａｔｅｃａｎｂｅｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄｏｒｓｗｉｔｃｈｅｄｂｙｔｈｅｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａｎｄｔｈｅｄａｔａｒｅｃｏｒｄｉｎｇｒａｔｅｉｓｕｐｔｏ１９６ＭＢ／ｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ⁃ｃｈａｎｎｅｌ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｓａｍｐｌｉｎｇｒａｔｅ；ＦＰＧＡ；ａｎａｌｏｇ⁃ｔｏ⁃ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＥＮＯＢ０㊀引言在声呐和语音信号处理设备的科学实验㊁研发㊁生产和应用中，多通道采集器扮演着重要的角色，用于实验室和外场数据采集㊁设备中性能评估和设备检验检定等㊂根据声呐和语音信号处理的特点，采集器的采集通道数一般达到几十个甚至一百个以上，语音信号和声呐的频率范围在３Ｈｚ ９７ｋＨｚ之间㊂为了满足上述要求，文献［１］设计的搭载于自主无人航行器的多波束声呐接收系统，选用１６ｂｉｔ模数转换器ＡＤ７６５７，实现了最高采样率为２５０ＫＳＰＳ的１０８通道同步数据采集；文献［２］设计的多通道采集检测系统应用１６ｂｉｔＡＤＣ芯片ＡＤ７６０６，实现了在强噪声环境下采样率为１００ＫＳＰＳ的１２８通道并行实时数据采集功能㊂采集器除了通道数及采样率的要求外，还应考虑到采集器对于通道一致性㊁存储带宽和处理实时性的需求［３－５］㊂采集器的主控芯片可以在单片机㊁ＤＳＰ和ＦＰＧＡ芯片中选取㊂ＦＰＧＡ与单片机和ＤＳＰ对比，具有工作时钟频率高㊁高集成度㊁实时性强㊁丰富的内部逻辑资源且易于编程和研发周期短等很多优势［６－８］㊂采集器的采样精度和采样率取决于硬件设计所采用的ＡＤＣ芯片，在ＡＤＣ芯片选择的时候，需要在采样率㊁采样精度和复杂度之间折中㊂本系统采用高性能ＦＰＧＡ和高集成度的ＡＤＣ，设计通道数为１９２个㊁最高采样率为２５６ＫＳＰＳ㊁采样精度为２４ｂｉｔ的多通道信号采集器㊂该采集器能够同步采集声呐或语音信号，存储到存储板或者从主控板输出以完成进一步的分析和处理㊂１㊀总体设计多通道采集器的总体架构如图１所示㊂设备主要由采集板㊁存储板㊁主控板和标准６ＵＶＰＸ背板组成㊂将２个硬件上完全一致的９６通道采集板配置成主和㊀㊀㊀㊀㊀４２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＦｅｂ．２０２１㊀图１㊀采集器系统总体架构从采集板组合的方式，实现最多１９２通道的信号采集㊂主从采集板间通过ＳＲＩＯ和控制线ＧＰＩＯ接口进行通信㊂存储板用于存储采集数据，采集板采集的数据通过ＰＣＩｅ高速接口传输到存储板㊂主控板实现音频信号采集和上位机功能㊂上位机控制音频信号采集和采样率变换，并完成设备管理和存储管理㊂２㊀硬件设计基于多通道采集器的总体架构，采用高性能ＦＰＧＡ和高精度ＡＤＣ器件并结合ＡＮＳＩ标准ＦＭＣ（ＦＰ⁃ＧＡｍｅｚｚａｎｉｎｅｃａｒｄ）载板与子卡互联结构，设计多通道采集器的硬件平台㊂２．１㊀硬件实现采集板设计为９６通道，系统采用主㊁从２块采集板实现１９２路同步采集㊂采集板采用标准６ＵＦＭＣ采集载板加双宽度ＦＭＣ子卡组合的模块化设计，以实现高集成度和模块通用化㊂６ＵＦＭＣ采集载板实现信号调理和模数转换等功能；ＦＭＣ子卡实现数字信号处理㊁数据传输和数据缓存等功能㊂采集载板根据功能划分为９６通道输入信号接口㊁信号调理单元㊁１２颗ＡＤＣ芯片㊁时钟单元和同步单元等㊂图２给出了采集载板的硬件原理框图㊂图２㊀采集载板硬件框图图３为采集载板硬件原型实物图㊂ＦＭＣ子卡根据功能划分为电源㊁时钟单元㊁Ｆｌａｓｈ模块和ＤＤＲ３数据存储单元等㊂ＦＭＣ子卡主控芯片选用Ｋｉｎｔｅｘ－７系列ＦＰＧＡＸＣ７Ｋ４１０Ｔ；ＤＤＲ３采用ＭＴ４１Ｊ５１２Ｍ８ＲＡ颗粒，总容量为２ＧＢ，最高存取速率图３㊀采集载板硬件原型实物支持１６００ＭＴ／ｓ，主要用于采集数据的高速缓存；Ｆｌａｓｈ模块采用ＮＯＲＦｌａｓｈ芯片ＭＴ２５ＱＬ２５６ＡＢＡ，用于固化和加载ＦＰＧＡ中ｂｉｔ镜像程序㊂图４为ＦＭＣ子卡硬件实现框图㊂图４㊀ＦＭＣ子卡硬件框图图５为ＦＭＣ子卡硬件原型实物图㊂图５㊀ＦＭＣ子卡原型实物２．２㊀信号调理电路设计信号调理电路包括直流隔离㊁单端转差分㊁衰减和ＡＤＣ接口匹配，用于系统的信号处理和阻抗变换等㊂信号调理电路框图如图６所示㊂图６㊀信号调理电路原理框图图６中，系统输入信号频率为３Ｈｚ ９７ｋＨｚ，需经㊀㊀㊀㊀㊀第２期范威等：多通道采集器的设计４３㊀㊀直流隔离以防止直流偏置在电路中的干扰㊂ＡＤＣ芯片输入信号要求是差分输入，需将单端信号进行差分处理㊂外部输入信号电压范围为０ ２０Ｖ，而ＡＤＣ芯片支持的单端输入信号电压范围为０ ５Ｖ，因此将单端信号进行４倍衰减，以满足ＡＤＣ芯片输入信号电压范围的需求㊂另外，需进行ＡＤＣ接口适配，以满足ＡＤＣ芯片输入高阻的要求㊂２．３㊀采样电路设计由于信号的带宽近１００ｋＨｚ，基于工程实现考虑选择２５６ｋＨｚ的最高采样率；综合考虑性能㊁集成度和成本，选用８通道ＡＤＣ芯片ＡＤ７７６８㊂ＡＤ７７６８的高集成度，降低了所需的ＰＣＢ布局面积㊂采集单板采用１２颗ＡＤＣ芯片实现９６通道采集㊂根据ＡＤＣ芯片每通道单端输入信号范围为０ ５Ｖ，将基准参考电压设定为５Ｖ㊂图７给出了ＡＤＣ芯片的详细电路设计㊂图７㊀ＡＤ７７６８配置电路设计２．４㊀时钟和同步电路设计同步采集要求各ＡＤＣ的时钟和同步信号完全同源，以实现多通道同步采集㊂２．４．１㊀时钟分配电路主采集板选择３２．７６８ＭＨｚ或２４．５７６ＭＨｚ的参考时钟，该时钟通过高性能超低抖动缓冲器ＬＭＫ００１０５后输出４路为主㊁从采集板提供时钟，主㊁从采集板再分别采用低抖动缓冲器ＣＤＣＬＶＣ１１１２输出１２路为所有ＡＤＣ芯片提供ＭＣＬＫ（主时钟）㊂同源时钟设计框图如图８所示㊂图８㊀时钟同源设计框图在图８中，ＬＭＫ００１０５芯片输出偏斜为６ｐｓ；时钟在ＰＣＢ等长布线设计中，误差不超过３００ｍｉｌ，约为５０ｐｓ的延迟误差；ＣＤＣＬＶＣ１１１２最大输出偏斜为５０ｐｓ㊂由此可知，时钟的总延迟误差约为１０６ｐｓ㊂２．４．２㊀同步信号分配电路主采集板中ＡＤＣ１产生同步信号ＳＹＮＣ＿ＯＵＴ，该同步信号通过ＣＤＣＬＶＣ１１０４输出２路为主㊁从采集板提供同步信号，主㊁从采集板再分别采用ＣＤＣＬＶＣ１１１２输出１２路为所有ＡＤＣ芯片提供同步信号㊂同步信号同源设计框图如图９所示㊂图９㊀同步信号同源设计框图在图９中，ＣＤＣＬＶＣ１１０４和ＣＤＣＬＶＣ１１１２输出的最大偏斜为５０ｐｓ；同步信号在ＰＣＢ等长布线设计中，误差小于６００ｍｉｌ，约为１００ｐｓ的延迟误差㊂在同步信号同源电路中，可计算得到同步信号的最大延迟误差约为２００ｐｓ㊂２．５㊀ＦＭＣ子卡设计ＦＭＣ子卡中ＦＰＧＡ的Ｉ／Ｏ引脚数为９００，其中可用的普通Ｉ／Ｏ引脚数约３５０，另有高速接口ＧＴｘ１６ｘ㊂而单个ＡＮＳＩ５７．１－２００８标准的ＨＰＣ（多管脚数）ＦＭＣ支持４对标准时钟管脚㊁８０对标准差分管脚或者１６０个单端管脚㊁２对高速时钟管脚以及２０对高速差分管脚㊂合理安排ＦＰＧＡ与ＦＭＣ接口的连线后，ＦＰＧＡ的引脚连线分配如图１０所示㊂ＦＭＣ标准将子卡ＦＰＧＡ与载板Ｉ／Ｏ口分离设计，简化了ＦＰＧＡ接口电路设计，更好地实现系统的通用性和灵活性，且该设计支持高速口ＰＣＩｅ和ＳＲＩＯ通信㊂３㊀软件设计采集器软件主要包括采集板间ＳＲＩＯ数据传输㊁㊀㊀㊀㊀㊀４４㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＦｅｂ．２０２１㊀图１０㊀ＦＭＣ与ＦＰＧＡ的连线设计ＤＤＲ３数据缓存和上位机软件㊂运行于采集板的软件设计为主从板兼容的形式，能够自动识别工作的模式，进而实现代码的可重用和可移植㊂设备工作时，通过ＶＰＸ背板连线的管脚信息判断是主９６通道还是从９６通道采集板，主采集板ＳＲＩＯ配置为接收数据模式，从采集板ＳＲＩＯ配置为发送数据模式㊂ＤＤＲ３高速缓存主从板采集数据，上位机通过ＰＣＩｅ接口控制数据采集和数据处理㊂３．１㊀采集数据传输机制采用的ＡＤＣ芯片ＡＤ７７６８支持八通道同步采集，采集数据的精度为２４ｂｉｔ，最高位为符号位㊂为了方便上位机处理数据，软件设计中对每个采样点通过符号位扩展的方式，将采样数据由原本的２４ｂｉｔ位宽扩展成３２ｂｉｔ，故一颗ＡＤＣ芯片在每个采样时刻输出８个３２ｂｉｔ数据㊂设计使用ＦＩＦＯ作为缓冲区缓存采集数据㊂如图１１所示，从采集板每颗ＡＤＣ芯片对应一个命名为ＦＩＦＯ０的缓冲区，每个缓冲区的读写数据的位宽为２５６ｂｉｔ㊂主采集板建立１２个命名为ＦＩＦＯ１的ＦＩＦＯ缓冲区对传输得到的从采集板采集数据进行缓存，主㊁从采集板之间通过ＳＲＩＯ接口完成ＦＩＦＯ０到ＦＩＦＯ１缓冲区数据传输㊂主㊁从采集板间数据传输设计如图１１所示㊂图１１㊀采集板间数据传输设计２块采集板ＦＰＧＡ之间通信采用５ＧｂｐｓＳＲＩＯ４ｘ进行通信㊂实测ＳＲＩＯ４ｘ接口的传输速率为１．２ＧＢ／ｓ，而从采集板的最大采集数据速率约为９６ＭＢ／ｓ㊂ＳＲＩＯ４ｘ接口传输速率超过从采集板数据采集速率，可以满足采集数据传输的需求㊂３．２㊀采集数据存储为了满足１９２通道同时工作的需求，软件中主采集板一共设计２４个命名为ＦＩＦＯ２的ＦＩＦＯ缓冲区缓存采集数据，通过软件配置使能需要使用的ＦＩＦＯ２㊂主从采集板一起工作时，从采集板的采集数据按照时序通过ＳＲＩＯ接口送到主采集板，主采集板将２块采集板的采集数据整理好并缓存在主采集板的ＤＤＲ３中，当ＤＤＲ３缓存的数据量大于等于１ＭＢ时，上位机开启ＰＣＩｅ的ＤＭＡ读数据通道，读取这１ＭＢ数据后关闭读数据通道，等待ＤＤＲ３缓存数据量再次达到１ＭＢ时重复以上步骤㊂同时上位机将数据连续存入存储板或作进一步处理㊂１９２通道采集数据存储设计如图１２所示㊂图１２㊀采集数据存储设计图１２中，当设备１９２通道全部开启时，系统最大的并行采集速率约为９２ＭＢ／ｓ，而ＤＤＲ３实际的读写速率为１０ＧＢ／ｓ㊂可知，实时采集数据速率远远小于ＤＤＲ３的读写速率，即ＤＤＲ３性能满足系统实时缓存采集数据的要求㊂采用的高性能ＦＰＧＡ芯片ＸＣ７Ｋ４１０Ｔ支持Ｇｅｎ２ＰＣＩｅ４ｘ接口，ＰＣＩｅ４ｘ接口传输速率为２ＧＢ／ｓ，故采用ＰＣＩｅ４ｘ接口传输满足系统最大的并行采集数据速率要求㊂ＰＣＩｅ接口通信有２种模式：采集板与上位机之间数据批量传输采用ＰＣＩｅ的ＤＭＡ通信模式；而对于上位机与采集板之间控制信号的接收和下发，采用ＰＣＩｅ的读写寄存器通信模式㊂４㊀实验信号源为采集板提供输入信号，上位机通过ＰＣＩｅ控制系统采样率并控制处理采集数据，采集板采集的数据通过ＰＣＩｅ保存到存储板，ＵＳＢ从主控板中导出采集数据，在调试ＰＣ利用ＭＡＴＬＡＢ分析采集器的性能㊂用于采集器性能测试的实验系统如图１３所示㊂㊀㊀㊀㊀㊀第２期范威等：多通道采集器的设计４５㊀㊀图１３㊀采集器性能测试实验系统４．１㊀采集功能验证４．１．１㊀采集板数据采集功能测试按图１３搭建实验系统，配置采集器正常采集数据，通过ＦＰＧＡ调试实时采集数据㊂采用Ｖｉｖａｄｏ２０１７．４ＩＬＡ抓取２块采集板ＡＤＣ数据采集时序，其中ｍａｓｔｅｒ＿ｆｌａｇ为１是主９６通道采集板，ｍａｓｔｅｒ＿ｆｌａｇ为０是从９６通道采集板㊂２块采集板的数据采集时序如图１４所示㊂图１４㊀采集板数据采集时序从图１４可以看出主从采集板能够正常采集数据㊂进一步通过比较主从采集板间硬件连接的同步信号，可以发现两板实现了同步采集㊂４．１．２㊀上位机采集测试启动设备，打开如图１５所示的上位机软件㊂图１５中，实测数据记录速率为１９６ＭＢ／ｓ，与１９２通道数据最大并行采集速率一致㊂系统选取了ＡＤＣ的４种抽取工作模式，再结合ＦＰＧＡ控制ＡＤＣ所处的ＰＩＮ模式并选择ＡＤＣ芯片的ＭＣＬＫ频率，能够实现采样率在图１５㊀系统上位机采集测试界面２５６㊁１９２㊁１２８㊁９６㊁６４㊁４８㊁３２㊁２４ＫＳＰＳ之间的任意改变㊂４．２㊀采集精度测试信号源ＳＭＡ１００Ｂ提供输入信号１ｋＨｚ正弦波，任意选择ＡＤＣ芯片ＡＤ７７６８的一个通道，在采样率为２５６ＫＳＰＳ下采集数据，导出数据后得到如图１６所示的信号频谱㊂（ａ）没有加滤波器的频谱（ｂ）加滤波器的频谱图１６㊀ＡＤ７７６８采集获得的频谱图１６中，有效位数（ＥＮＯＢ）和信纳比（ＳＩＮＡＤ，单位ｄＢｃ）的关系由ＥＮＯＢ＝（ＳＩＮＡＤ－１．７６３）／６．０２（ｂｉｔｓ）得到㊂图１６（ａ）为没有加滤波器采集结果，图１６（ｂ）为加滤波器后的结果，所加的滤波器为８阶低通滤波器，其截止频率为８ｋＨｚ㊂由图１６（ａ）和图１６（ｂ）的测试结果对比可知信号源的二次谐波（２ｋＨｚ）性能差，导致ＳＦＤＲ（无杂散动态范围）指标整体偏低㊂ＡＤ７７６８在快速工作模式时，最高采样率为２５６ＫＳＰＳ㊂表１列出了ＡＤ７７６８数据手册针对输入信号１ｋＨｚ正弦波主要的动态性能参数：信噪比（ＳＮＲ）㊁ＳＩＮＡＤ㊁ＳＦＤＲ和总谐波失真（ＴＨＤ）㊂表１㊀ＡＤ７７６８数据手册给定的动态参数采样率／ＫＳＰＳ输入信号／ｋＨｚＳＮＲ／ｄＢＦＳＳＩＮＡＤ／ｄＢｃＳＦＤＲ／ｄＢｃＴＨＤ／ｄＢｃ２５６１ȡ１０６．２ȡ１０９ȡ１０６ɤ－１１３㊀㊀㊀㊀㊀４６㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＦｅｂ．２０２１㊀图１６（ｂ）显示的结果与表１对比，虽然在实验中采用了最大截止频率为８ｋＨｚ的滤波器，但是由于信号源输出的二次谐波性能差，所以导致ＡＤ７７６８中ＳＦＤＲ和ＴＨＤ的测试结果与器件手册给出的参数相比稍差，而其他动态性能指标与手册中给出的参数相当㊂４．３㊀同步性能测试信号源输出１ｋＨｚ正弦波信号，在功分后输入ＡＤＣ完成采样率为２５６ＫＳＰＳ的同步采样㊂同步采集得到的信号波形如图１７所示㊂㊀（ａ）３２通道同步测试波形（ｂ）放大后３２通道同步测试波形图１７㊀采集数据同步波形因测试条件限制，测试１９２通道同步时需切换６次完成所有通道间的同步性能测试㊂以通道１㊁３３㊁６５㊁９７㊁１２９㊁１６１为参考基准，每次进行ＦＦＴ分析，并计算正弦波的相位，可以得到其他３１个通道与参考基准间的通道延迟和角度偏差㊂测试通道间同步性能结果如表２所示㊂表２㊀通道间同步测试结果测试通道通道间最大延迟／ｎｓ通道间最大角度偏差／（ʎ）ｃｈ１－３２１４．１１４１．３０１ｃｈ３３－６４１６．６１５１．５３１ｃｈ６５－９６２２．９４４２．１１５ｃｈ９７－１２８１２．８７２１．１８６ｃｈ１２９－１６０１５．７５４１．４５２ｃｈ１６１－１９２１７．３１１１．５９５㊀㊀表２的实测结果表明，系统通道间同步性能小于２５ｎｓ，满足大部分声呐及语音信号处理要求㊂４．４㊀性能分析表３列出了近年来多通道采集器所采用的主控芯片㊁采集通道数㊁最高采样率和采样精度㊂本文所设计的采集器的采集通道数为１９２个㊁最高采样率为２５６ＫＳＰＳ且采样精度为２４ｂｉｔ，与表３列出的设备比较，该采集器在采集通道数和采样精度上表３㊀已有多通道采集器性能对比表文献主控芯片采集通道数最高采样率／ＫＳＰＳ采样精度／ｂｉｔ［１］ＦＰＧＡ１０８２５０１６［２］ＦＰＧＡ１２８２００１６［３］ＦＰＧＡ１２８２０００１６［４］ＦＰＧＡ１８０６５０００１２［６］ＦＰＧＡ９６１４４２４［７］ＦＰＧＡ６０４００１８有一定的优势，但在采样率方面作了折中处理㊂这是由声呐与语音信号的特点决定的，在大部分场合语音信号对采样率的要求并不高，本文所设计的采集器在通道数㊁采样精度和采样率等方面可以满足声呐与语音信号应用的需求㊂５㊀结束语采用双宽度ＦＭＣ结构，选用高性能ＦＰＧＡ和高精度ＡＤＣ并结合上位机软件控制，设计了一种通用性强的高精度多通道采集器系统㊂测试结果表明，该采集器支持１９２通道并行数据同步采集，通道延迟误差小㊁采样率可配置切换㊁数据吞吐速率和实时性高㊂满足在声呐与语音信号处理中的应用需求㊂对多通道采集器的研究设计与工程实现，具有一定的参考价值和借鉴意义㊂参考文献：［１］㊀阚成良．ＡＵＶ载多波束声呐接收系统硬件平台设计与实现［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，２０１９．［２］㊀易志强，韩宾，鲜龙，等．旋转环境下基于ＦＰＧＡ的多通道数据采集系统设计［Ｊ］．电子技术应用，２０１９，４５（９）：６０－６４．［３］㊀唐亮，刘晓东，刘治宇．一种通用多通道高频相控发射和采集系统［Ｊ］．声学技术，２０１６，３５（２）：１７４－１７９．［４］㊀杨成，夏伟杰，杨康，等．多波束成像声呐调理采集电路的设计［Ｊ］．电子测量技术，２０１３，３６（１２）：１０８－１１７．［５］㊀杨博，张加宏，李敏，等．基于ＡＲＭ的多通道数据采集系统［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１５（２）：１０４－１０７．［６］㊀张理京．基于９６通道同步数据采集系统的软硬件设计与实现［Ｄ］．西安：西安电子科技大学，２０１４．［７］㊀董卫珍，衡总，张磊磊．基于ＦＰＧＡ的多通道采集传输模块的设计［Ｊ］．电子技术与软件工程，２０１７（１７）：１１７－１１８．［８］㊀韩宾，易志强，江虹，等．一种高精度多通道实时数据采集系统设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１９（９）：４２－４５．作者简介：范威（１９９２ ），硕士研究生，主要研究领域为数字信号处理实现㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓ１７０３０８１００１＠ｃｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ通信作者：楼喜中（１９７６ ），副教授，博士，主要研究领域为无线定位㊁ＭＥＭＳ传感器导航定位㊁多天线技术㊁信道编码㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｏｕ９９９＠ｃｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第３５页）［１０］㊀ＺＨＡＯＣ，ＷＯＯＤＧＳ，ＸＩＥＪ，ｅｔａｌ．Ａｆｏｒｃｅｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｒｅｅｗｅａｋｌｙｃｏｕｐｌｅｄｒｅｓｏｎａｔｏｒｓｗｉｔｈｕｌｔｒａｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ＆ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡＰｈｙｓｉｃａｌ，２０１５，２３２：１５１－１６２．作者简介：修日（１９９４ ），硕士研究生，主要研究方向是基于模态局域化的微型电场传感器㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｉｕｒｉ＠ｍａｉｌ．ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ杨鹏飞（１９８６ ），讲师，博士，主要研究方向是微传感器与微系统㊁新型电学量传感器㊁低频电场探测㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｙａｎｇ３３０６５０５９１＠１２６．ｃｏｍ。
高速多通道同步采样ADC MAX1312及其应用
高速多通道同步采样ADC MAX1312及其应用【摘要】阐述了MAX1312的特性和工作原理，介绍了MAX1312与通用8位微处理器AT89C52的硬件接口设计以及软件编程方法，最后简述了该模数转换器在多相电机控制中的应用。
【关键词】模数转换器；多通道；同步采样；MAX1312Abstract：The principle，features and application of multi-channel synchronized sample ADC MAX1312 are introduced，including its hardware interface design and software programming method between MAX1312 and Micro-processor.AT89C52.At last，it describes the application of MAX1312 in controlling the polyphase electric engine.Keywords：A/D converter；multi-channel；synchronized sample；MAX13121.引言在电子测量技术中，必须把模拟信号转换为数字信号，才能够用计算机系统进行处理，模/数转换的速度和精度一直是测量的关键。
但是高速和高精确度的转换器仍然难以满足某些特殊场合的要求，例如：在多相电机控制、多相电源监控等场合，要求对多路数据进行精确同步的采集，一般的单通道A/D和多通道轮流采集A/D都不满足这种场合的要求。
MAX1312是美国美信公司（MAXIM）新推出的一种高速同步采样模数转换器，它具有12位的精度，8路模拟信号输入，单电源+5V供电，完成8个通道的转换时间仅需要1.96us，对外提供了一个12位20MHZ并行数字接口，可以很方便与各种微处理器相连接，使用十分方便[1]。
一种多通道数据采集系统设计研究
中图 分 类 号 ： Ｐ ７ Ｔ ２４
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：１ ７ — ２ ６ ２ １ ） ９ ０ １ — ３ ６ ４ ６ ３ （０ ２ １ — ０ ４ ０
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｕｌｉｃ ｎ ｌｄａ ａ ａ ｑ ｉｉｉ ｎ ｓ ｓｅ ｓｇ ｆｍ ｔ－ ｈａ ｎｅ ｔ ｃ ｕ ｓｔｏ ｙ ｔ ｍ
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基于ARMFPGA的高速同步数据采集方案
基于ARMFPGA的高速同步数据采集方案
大多数的勘探、观测工作都是在严苛的环境中进行的，对数据的准确性、实时性都有着较高的要求，并且大多情况下要求多参数同步测量。
北京恒颐针对勘探、测控等行业的特点，推出了基于ARM+FPGA的低功耗、高速率、高精度、多通道同步数据采集方案，可以通过监测者的要求完成多通道数据的同步采集并实现实时的网络传输。
◆应用场合
物探分析领域
天然气、石油等地下勘探领域
观测技术领域(地震波、频谱分析)
电力调度系统
◆系统架构
恒颐高速同步数据采集方案，功能特点如下：
1)通过系统接口直接与采集终端通讯，完成工业现场的多通道模拟量、开关量的数据采集与A/D转换，实现对数据采集终端的控制;
2)系统设有FIFO缓存模块，支持信号的长时间连续采集存储;
3)支持采集数据的移动存储，可对采集数据通过存储卡进行存取;
4)支持10/100M以太网或CDMA/GPRS无线网络，可以实现高效率的网络数据传输。
系统架构如图所示：
◆系统硬件设计
恒颐高速同步数据采集系统主要包括以下几个部分：ARM控制器、存。
多通道数据采集卡同步功能的设计与实现
多通道数据采集卡同步功能的设计与实现
高健;杨成忠;唐明明
【期刊名称】《机电工程》
【年(卷),期】2008(025)001
【摘要】介绍了多通道数据采集卡同步功能的实现方法,讨论和处理了实现同步功能的相关问题.该设计采用一种二级时钟分配方案,不仅实现了板内各通道的真正实时的同步采集,并且可以方便灵活地实现多块板卡的板间同步,具有高速、高精度、多路同步采集的特点,可广泛应用于对信号的同步性能要求较高的数据测量系统中.【总页数】4页(P82-85)
【作者】高健;杨成忠;唐明明
【作者单位】杭州电子科技大学,自动化学院,浙江,杭州,310018;杭州电子科技大学,自动化学院,浙江,杭州,310018;杭州电子科技大学,自动化学院,浙江,杭州,310018【正文语种】中文
【中图分类】TP393
【相关文献】
1.振动信号多通道同步整周期数据采集卡设计 [J], 杨世锡;梁文军;于保华
2.基于PC/104总线与FPGA的多通道同步数据采集卡的研究 [J], 刘朝华;戴怡;石秀敏
3.利用FPGA实现的多通道同步数据采集卡 [J], 田多华;邱宏安;陆宇鹏;邵立群
4.一种多接口多通道的同步数据采集卡的设计与实现 [J], 郑晨曦;吴次南;蒋小菲
5.凌华科技推出高密度多通道同步数据采集卡 [J],
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辩１９卷第１１期电子设计工程２０１１年６月竺！：：：！．！！！坠竺：：堕！望！些！：：！坚！：！：
一种多通道视频同步采集方案杨国日．全胜骞．卢＊国｝￡ｔｍ＾季＃ｗ自”算机１ｄ季＆．ｔｔ１０２２０６
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万方数据《电子设计工程）２０１１年第１ｌ期图６视频采集系统总体结构Ｆｉ昏６Ｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｖｉｄｅｏａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ３同步精度分析
１）以太网传输延迟问题本文介绍的系统采用ＲＳ４８５总线定时播发含有序列号的报文来实现多采集模块的同步。序列号的生成规则采用简单的０—２５５循环方式。如果摄像头的采集速率为２５帧／秒。那么再次播发相同序列号的时闻间隔超过１０Ｓ。则只要以太网的传输延迟不超过１０ｓ，在主控计算机端处理采样数据时就不会出现匹配错误。２）采集启动延迟问题各个采集模块是同一个方案的多个拷贝，结构、程序完全相同。因此对ＲＳ４８５同步报文的响应处理延迟也应该是相同，唯一可能造成采样启动时问误差的因素就是以太网传输过程的管理，实验证明这种时间误差在１０吣量级。这相对于２００—３００ｉｎ８的带钢振动周期来讲是可
以忽略的。
４结束语笔者分析研究了通过视频采集实现带钢振动检测的原
理与方法，探讨了空间、时间分辨率确定原则；采用自制同步器．通过ＲＳ４８５总线定时播发同步报文。实现了多个视频采集模块的同步采样：在同步报文中添加序列号，避免了因以太网传输延迟的不确定性而可能造成的各个采集模块之间的数据包匹配错误问题；为镀锌生产线的带钢振动整体检测提供了一种可行的方案。参考文献：【ｌ】ＶｅｄｒｉｎｅｓＭ，ＫｎｉｔｔｅｌＤ．ＭｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄＨ．１０ｗｏｒｄｅｒｃｏｎｔｒｏｌ０ｆｗｅｂｈａｎｄｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈｐｅｎｄｕｌｕｍｄａｎｃｅｒ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ
ｏｆｔｌｌｅ１７ｔｈＷｏｒｌｄＣｏｎｇｒｅｓｓｏｆｔｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＦｅｄｅｒａｔｉｏｎｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｃＣｏｎｔｒｏｌ。Ｓｅｏｕｌ。Ｋｏｖｅａ２００８：１０１２—１０１７．１２】扬全荚．机械振动检测仪器的设计ＩＤ】．沈阳：沈阳工业大学．２００８．［３】ＣｈｒｉｓｔｏｐｈｅＤ，Ｄｏｍｉｎｉｑｕｅ
Ｋ．Ａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｌｉｇｈｔｖｉｓｉｏｎ
ｓｙｓｔｅｍ
ｆｏｒｏｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｌｏｃａｔｉｏｎｏｆａｍｏｖｉｎｇｗｅｂＭａｃｈｉｎｅＶｉｓｉｏｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．２００５。１６（５）：２８９－２９７．