畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于fpga的數(shù)據(jù)采集器

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1、引言數(shù)據(jù)采集是獲取信息的基本手段。數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為信息科學(xué)的一個重要分支，是以傳感器、信號測量與處理、微型計算機(jī)等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用型技術(shù)。數(shù)據(jù)采集作為現(xiàn)代測控技術(shù)的基礎(chǔ)，己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究的諸多領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以得到工業(yè)現(xiàn)場的溫度、濕度、電壓、電流等技術(shù)參數(shù)，所得結(jié)果可以反饋給用戶和控制系統(tǒng)，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息；在科學(xué)研究方面，數(shù)據(jù)采集可以提供大量的現(xiàn)場信息，成為探索科學(xué)奧秘的重要手段[1]。如何對信號進(jìn)行實(shí)時采集、實(shí)時存儲，保證信號不丟失，以滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，一直是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究的一個重要方向。國外方面[2][3][4]

2、，隨著國外微電子技術(shù)、計數(shù)機(jī)技術(shù)、測控技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，目前國外數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)較初期有了很大的發(fā)展。從近來國外公司展示的新產(chǎn)品可以看出，主要的發(fā)展可以概括為功能多樣，體積減小和使用方便等三個方面。國外在研制和使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面發(fā)展迅速，基于MedWin技術(shù)的數(shù)據(jù)采集器也發(fā)展較深，在體積和性能具有很大優(yōu)勢得采集器多以FPGA為平臺，但價格相對來說就不具有競爭力。成本較低的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多以單片機(jī)為主芯片，但是在性能和速度方面就不具有優(yōu)勢。目前國外的數(shù)據(jù)采集方面的研究主要著重于傳感器，高精度、高速度的傳感器層出不窮而且在價格上有了很大進(jìn)步。比如美國尼高力儀器技術(shù)公司08年生產(chǎn)的270

3、0型數(shù)據(jù)采集器，完美地將數(shù)據(jù)記錄儀、程控開關(guān)與數(shù)字表的優(yōu)勢集于一身，是一款高精度、多功能、使用方便的多路數(shù)據(jù)采集器。同年惠普公司生產(chǎn)的HP34970A型數(shù)據(jù)采集器具有6／12位分辨率，0．004％基本直流精確度和高達(dá)250通道／秒的掃描率，非易失性存儲器可保存多達(dá)50000個帶有時間標(biāo)記的讀書，可測包括直流電壓、交流電壓等等數(shù)據(jù)。雖然這些數(shù)據(jù)采集器的功能無比強(qiáng)大，但是成本都較昂貴。國內(nèi)方面[5][6][7]，國內(nèi)數(shù)據(jù)采集器與目前國外數(shù)據(jù)采集器相比，在技術(shù)上仍然存在著一定的差距，主要表現(xiàn)在：①由于受國內(nèi)振動等傳感器水平的限制，分析頻率范圍不寬，在工業(yè)方面給一些低速的機(jī)器或軸承的診斷等帶來了一

4、定的困難；②由于數(shù)據(jù)采集器的內(nèi)存不大，數(shù)據(jù)采集器本身的信號處理功能不強(qiáng)，在現(xiàn)場只能做一些簡單診斷，精密診斷需要離線到計算機(jī)上去做，現(xiàn)場精密診斷功能較弱；設(shè)備的軟件水平，仍在設(shè)備維修管理和基本頻譜分析上徘徊，機(jī)器故障診斷專家系統(tǒng)還需完善，軟件人機(jī)界面有待改進(jìn)④33設(shè)備的性能與成本的協(xié)調(diào)還缺乏一定的優(yōu)勢。近年來，發(fā)達(dá)國家在研制和使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面發(fā)展較為迅速，儀器的性能先進(jìn)，使用范圍廣，且耐用可靠，但價格較為昂貴，在測量功能、測量通道和數(shù)據(jù)齊全等方面存在不同程度的缺陷。例如北京凱文斯系統(tǒng)集成有限責(zé)任公司E16系列EPP并口寬動態(tài)范圍的高精度數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)通道最大可以達(dá)到16個，采樣最高頻率

5、決定于微機(jī)的CPU及處理速度，一般為60．80KHz。北京測振儀器廠2007年研制的Hz．9609數(shù)據(jù)采集器／振動分析儀，它采用中文顯示，直觀醒目，操作簡單方便；采用先進(jìn)的微電腦技術(shù)，工作可靠；采用頻譜分析技術(shù)和故障診斷技術(shù)，是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、完成設(shè)備狀態(tài)分析和故障診斷的得力助手。它可以與微機(jī)通訊，建立設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，可測量振動信號的加速度、速度和位移，還可測量電壓信號和轉(zhuǎn)速信號，采樣頻率為1Hz到10KHz。在經(jīng)過對國內(nèi)外現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集行業(yè)產(chǎn)品的性能、價格和功能了解，其大概情況是，國外的數(shù)據(jù)采集器的精度高，速度快，功能強(qiáng)大，但是價格比較昂貴，并且一般來說體積都比較大，操作也復(fù)雜，可再編程能

6、力比較弱。而國內(nèi)的采集器雖然價格低，但是在性能上還有上升的空間，所以在我國現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，融合更為先進(jìn)的技術(shù)、工藝，制造出性價比更高，可再編程能力高，小巧而又實(shí)用的的測量儀器不失為儀器開發(fā)領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)。論文的組織結(jié)構(gòu)包括：引言，介紹了課題背景，課題研究的目的和意義，并對現(xiàn)階段此研究的情況進(jìn)行了分析。第1章系統(tǒng)分析及方案設(shè)計，對整個系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析，并介紹了整體設(shè)計方案的制定以及可靠性的設(shè)計和分析。第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計，包括各部分接口設(shè)計以及PCB設(shè)計。第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計，即針對各模塊的VHDL編程。第4章仿真與調(diào)試，針對已設(shè)計的工程，通過仿真器進(jìn)行仿真調(diào)試。第5章系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與設(shè)計結(jié)果，分析了

7、采集結(jié)果并討論了采集結(jié)果是否符合要求。第6章總結(jié)與展望，對本次論文進(jìn)行總結(jié)，并對本次研究的不足進(jìn)行了總結(jié)。331.系統(tǒng)分析及方案設(shè)計1.1設(shè)定系統(tǒng)目標(biāo)本次設(shè)計主要目標(biāo)是采集系統(tǒng)內(nèi)、外的數(shù)據(jù)，并加以處理顯示。對于數(shù)據(jù)采集的對象則選取了系統(tǒng)內(nèi)部電壓值與外部溫度值。之所以選擇溫度與電壓，是因?yàn)閮烧呔哂泻軓?qiáng)的代表性。在實(shí)際監(jiān)測中，溫度和電壓也是非常重要的監(jiān)測對象，有很強(qiáng)的實(shí)用性。本次系統(tǒng)設(shè)計的具體目標(biāo)如下：1.有較好的人機(jī)顯示控