基于计算机的数据采集系统中,内置板卡结构的采集系统依赖计算机提供的硬件插槽,通用性不高,而高性能的外置采集模块往往体积大,功耗高并且价格高昂;基于嵌入式的微控制器的数据采集系统,由于系统的微控制器的硬件结构是固定不可配置的,在需求变化的场合,往往不能满足应用需求。针对国内外的研究现状和典型设计中的问题,本文设计了基于Zynq-7000现场可编程门阵列(FPGA)内置XADC的数据采集系统。嵌入在目标系统中的FPGA可以重设计(现场可编程)达到系统的最佳性能,并且芯片内部的硬件电路模块连接可以重新选取和布线而不需要改变实际的硬件电路板。当前的FPGA集成了微控制器和数字信号处理模块等在单片芯片上,丰富的资源和强大的功能匹配了数据采集系统多变的需求。首先,根据被各个采集对象本身的不同特点,讨论数据采集系统从开始的需求设计到最终的成品的设计步骤和指导性原则。结合功能设计的步骤,根据被采集对象的信号特点,选取了基于Zynq-7000的数据采集系统满足的性能指标;同时,简单介绍了Zynq-7000和XADC的特点;并且重点阐述了数据采集系统模拟量输入的特点和要求。然后,硬件上采用了基于Zynq-7000的安富利(AVNET)的Zedboard开发平板+赛林思(Xilinx)AMS101信号评估板。重点对模拟信号处理功能的数字化展开讨论,对原有复杂的模拟电路的滤波和线性化模块采用内置的IP和HLS生成的IP进行内置替换,分别设计了采用基于Linux框架的DMA IP的内部硬件结构和不带操作系统的独立的硬件结构。前端模拟信号处理转移到后端数字化处理,提高系统精度,简化电路设计,增加系统灵活性。第三,软件上完成对应的基于Linux框架的驱动软件设计和对应的用户应用,包含:Xilinx AXI DMA引擎驱动、XADC DMA驱动、用户应用和Labview图形用户界面和不含操作系统的软件构架。介绍了AMS101的用户接口界面GUI。最后,对基于Zynq-7000XADC的数据采集系统测试的数据分析表明本文系统两大贡献:模拟滤波器的数字化,不但降低了硬件电路设计的复杂度和系统元器件成本,而且滤波器在截止频率上的滚降和阻带衰减特性有了明显提高;在传感器线性IP的设计中,系统仅用少量FPGA资源而不需要引入运放等其他额外模拟电路元件,实现了更高精度的线性度,降低了系统的误差。总之,本文给出了数据采集系统的总体设计和框架,对照系统需求设计了硬件系统、系统软件和用户应用,通过对比测试表明,本文的数据采集系统设计具有系统开发的参考价值。