高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計.doc

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1、1緒論1．1課題研究背景及其意義在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，數(shù)據(jù)的采集和處理作為所有生產(chǎn)、實驗活動正常進(jìn)行的前提條件，一直扮演著十分重要的角色。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。在科學(xué)研究中，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動態(tài)信息，是研究瞬間物理過程的有力工具，也是獲取科學(xué)奧秘的重要手段之一，隨著技術(shù)的發(fā)展，各種各樣基于數(shù)字化的產(chǎn)品不斷推陳出新，給我們的生活帶來了極大的好處。而隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，人們對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的即時性和精度提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用單片機(jī)作為微

2、控制器，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）及其他外圍設(shè)備的工作。但由于單片機(jī)運行的時鐘頻率較低，并且單片機(jī)是基于順序語言的，各種功能都要靠軟件的累加來實現(xiàn)，這極大地影響了系統(tǒng)的性能，已無法滿足對數(shù)據(jù)的高速采集的要求[1]。近幾年隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電子自動化設(shè)計工具的普及，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷苍絹碓降玫綇V泛的實際應(yīng)用?？删幊踢壿嬈骷粌H使系統(tǒng)趨于小型化、集成化和高可靠性，而且具有用戶可編程特性，這些優(yōu)點將縮短系統(tǒng)設(shè)計周期，減小設(shè)計成本，降低設(shè)計風(fēng)險[2]。不僅如此，部分器件除具有用戶可編程能力外，還具有簡單的在線可編程能力。其中FPGA編程則顯得更加靈活，F(xiàn)PGA時鐘頻

3、率高，內(nèi)部延時小，運行速度快，全部控制邏輯由硬件完成。它本身集采樣控制、處理、緩存、傳輸控制、通信于一個芯片內(nèi)，編程配置靈活、開發(fā)周期短、系統(tǒng)簡單，具有高集成度、體積小、低功耗、I/O端口多、在系統(tǒng)編程、速度快、效率高、組成形式靈活等優(yōu)點，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。在高速多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA可以克服上述單片機(jī)的不足之處，滿足系統(tǒng)對實時性和同步性的要求，使數(shù)據(jù)采集性能更加優(yōu)越并且穩(wěn)定。因此，具有一定的現(xiàn)實意義。1．2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀高速數(shù)據(jù)的采集與處理一直是生產(chǎn)實踐第51頁共51頁研究與應(yīng)用領(lǐng)域的一個熱點和難點。隨著微電子制造工藝水平的飛速提高，目前國

4、內(nèi)外對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高性能方面的研究上取得了很大的成就，ADC同計算機(jī)一樣，也經(jīng)歷了低速到高速的發(fā)展過程[3]。采樣通道數(shù)由單通道發(fā)展到雙通道、多通道，分辨率、精度逐步提高，TexasInstruments公司的ADS7881、AnalogDevices公司的AD7621、LinearTechnology公司的LTC1403a以及Maxim公司的TelASICTC1410都達(dá)到了很高的性能指標(biāo)，轉(zhuǎn)換速率由2M/s到240M/s不等，某些高性能的A/D芯片己經(jīng)達(dá)到了上GHZ的采樣率。而在數(shù)據(jù)處理的微處理器芯片上，最初的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以8位單片機(jī)為核心，隨著微電子技術(shù)的

5、不斷發(fā)展，單片機(jī)也發(fā)展到十六位、三十二位，另一方面，DSP和FPGA等速度更快，性能更佳的嵌入式芯片也逐步加入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的行列[4]?？傊?，伴隨著高性能微處理器的采用和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能將逐漸趨于完善和穩(wěn)定。第51頁共51頁2系統(tǒng)的理論知識及方案分析2．1高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡介高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軍事、航天、航空、鐵路、機(jī)械等諸多行業(yè)。區(qū)別于中速及低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部包含高速電路，電路系統(tǒng)1/3以上數(shù)字邏輯電路的時鐘頻率>=50MHz；對于并行采樣系統(tǒng)，采樣頻率達(dá)到50MHz，并行8bit以上；對于串行采樣系統(tǒng)，

6、采樣頻率達(dá)到200MHz，目前廣泛使用的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率一般在200KS/s~100MS/s。一般來說，高數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)是采集各種類型傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后輸入計算機(jī)處理，得到特定的數(shù)據(jù)結(jié)果[5]，同時將計算得到波形和數(shù)值進(jìn)行顯示，對各種物理量狀態(tài)監(jiān)控。傳統(tǒng)意義上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換接口，它在自動測試、生產(chǎn)控制、通信、信號處理領(lǐng)域占有極其重要的地位。而高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是航天、雷達(dá)、制導(dǎo)、測控、動態(tài)監(jiān)測等高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)[6]。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采樣頻率一般從幾MHZ到幾百MHZ不等，而微機(jī)系統(tǒng)由于操作速度的

7、限制，不能夠直接參與數(shù)據(jù)傳輸。為此，在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計中提出了在高速A/D轉(zhuǎn)換器與微機(jī)之間采用緩存器作為緩沖存儲[7]。當(dāng)模擬信號經(jīng)過高速A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化后，先直接送緩存區(qū)暫存，然后存儲的數(shù)據(jù)再送至微機(jī)進(jìn)行相關(guān)的處理、運算。其中，緩存區(qū)是以高速方式接收A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，而又以相對低速的方式將數(shù)據(jù)送給計算機(jī)，用它的“快進(jìn)慢出”來解決高速A/D轉(zhuǎn)換與低速計算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸之間的矛盾[8]。2．2采樣定理可以證明，為了正確無誤的將圖2.1中所示的采樣信號Vs表示模擬信號Vi，必須滿足?s≥2?imax式中，?s為采樣頻率，?imax為輸入信號Vi的最高頻率分量

8、的頻率。上