基于USB通信的FPGA高速数据采集系统研究

来源 :电气传动自动化 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lulufii
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘要:现阶段,在经济高速发展以及科学技术不断进步的大背景下,我国各行各业都得到了快速发展的良机,对数据采集系统的实际需求也越来越多,也对高速数据采集系统的实用性和精度等都提出了更高的要求。基于此,本文主要对基于USB通信的FPGA高速数据采集系统的设计和研发进行了讨论,希望进一步推动数据采集系统的发展与创新,仅供参考。
  关键词:USB通信;FPGA;高速数据采集;硬件;软件
  文章编号:1005-7277(2019)05-0201-03
  Abstract:At the present stage, under the background of rapid economic development and continuous progress of science and technology, all walks of life in our country have got a good opportunity for rapid development, the actual demand for data acquisition system is also more and more, but also put forward higher requirements for the practicability and accuracy of high-speed data acquisition system. Based on this, this paper mainly discusses the design and development of FPGA high-speed data acquisition system based on USB communication, hoping to further promote the development and innovation of data acquisition system, for reference only.
  Key words:The USB communication; FPGA; High speed data acquisition; Hardware; software
  引言
  随着现代通信技术的飞速发展,数据采集系统的研发与设计也出现了很大变化,人们对于数据采集系统的采集速度和采集精度等方面的要求也在不断提高。其中,USB接口是一种应用十分广泛的串型接口总线,具有即插即用的特点,使用十分方便,并且具有很高的数据传输速度;而FPGA作为高速数据采集系统的核心控制器,可以通过USB接口与上位机进行连接并传输数据,两者和有效联合可以满足数据的高速采集。
  一、高速数据采集系统的器件选择
  (一)光电转换和A/D转换器件
  光电转换器件可以选用低热噪声、抗干扰性和杂散电容性好的PINFET器件,可以有效降低外部干扰和热噪声,是一种应用比较广泛的PIN器件。PINFET器件的使用无需后续电路,并且具有模块化的设计,使用的过程中产生的噪声很小,并且输出电压小,后续A/D转换器的数据采集电压可以获得更加广泛的工作范围。A/D转换器件选用的是12位双通道差分输入SAR型A/D转换器件,该器件结构简单,使用便捷。SAR型A/D转换器件的设计运行电压为2.5V,与FPGA完全匹配,两者可以共用电源,精简数据采集系统的供电系统[1]。
  (二)FPGA器件
  FPGA器件需要对高速数据采集系统的16路信号数据进行缓存,为此,FPGA器件需要比较大的内部存储空间,可以选用XC4VSX25器件,其内部模块的RAM可以达到2M,分布式的RAM高达160KB,可以达到数据采集系统的实际需求[2]。
  (三)USB器件
  高速數据采集系统的USB器件需要具备使用简单、连接容易的特点,但是其通信协议却很复杂。为此,USB外设必须要使用相应的控制芯片,例如集成了8051单片机的CY7C68013A控制器芯片,该芯片具有很高的数据传输速率,是现阶段USB外设使用最为广泛的控制芯片。该控制器芯片主要有USB收发器、串行引擎以及8051型内核和存储器、I/O接口、数据总线与地址总线等组成。该控制芯片的结构十分独特,其中的串行接口引擎主要实现数据解码、位填充等功能,从而减轻了8051型内核的运行负担,将USB固件程序的开发设计进行了很好的简化。
  二、高速数据采集系统的硬件设计
  基于USB通信的FPGA高速数据采集系统的硬件设计主要由A/D转换电路、系统数据高速采集与传输控制电路、USB接口电路等硬件组成。其中,高速数据采集系统中的A/D转换电路是整个系统设计中的最重要的组成部分,A/D转换电路包括低通滤波器、A/D转换器和多通路转换开关三个组件构成。滤波器在A/D转换电路的运行过程中可以将采集到的模拟信号数据进行除高频处理,并通过模拟信号选择器将FPGA板的地址码经由通路输送到系统输出端,最终由A/D转换器将收到的模拟信号数据转换成数字信号数据。
  高速数据采集系统的数据采集与传输控制电路的设计主要集中在FPGA上,FPGA的主要作用就是在ADC芯片和USB之间形成有效的缓冲和控制,将ADC接口与USB接口进行连接,并实现数据的采集、通道切换以及A/D转换等,从而实现了数据采集系统对数据缓存、读/写功能、以及ADC的控制。数据采集与传输控制电路的设计需要有FIFO、USB接口控制状态机、ADC接口控制状态机以及控制寄存器和三态门缓冲器等组件构成[3]。数据采集系统获取的数据需要在ADC结构控制状态机的协调下被输送到FPGA的FIFO当中,在得到缓冲以后再经由USB接口控制状态机的协调,如果三态门的输出为高时,则会呈现开启状态,数据可以经由三态门传输到FPGA外部的USB结构;如果三态门的输出为低时,则会呈现出高阻态,在此状态下来自PC机的控制数据则会被输送到FPGA中。高速数据采集系统的控制信号均由FPGA提供,其工作时钟为60MHz,经过分频以后可以作为FPGA组件中其它逻辑的工作时钟[4]。
  三、高速数据采集系统的软件设计
  高速数据采集系统的软件设计部分有以下三个方面,分别为CY7C68013的固件程序、Windows平台的USB设备驱动程序设计以及应用程度。当PC机连接到新的数据采集设备的时候,Windows操作系统会根据接入的USB设备返送的相关信息去自动查找和运行设备驱动程序,待USB设备驱动程度正确装载安装完成以后,PC机的应用程序就可以通过USB设备的驱动程序完成与PC机USBDI的通信,并作出USB数据传输的指令动作。而CY7C68013的固件系统是一种在PC机外设接口芯片中运行的代码,通过代码去响应来自数据采集系统的USB标准请求,最终完成数据采集、数据交换和传输等事务处理。高速数据采集系统方框图如图1所示。
  四、结论
  基于USB通信的FPGA高速数据采集系统的开发和设计,主要以FPGA为主要控制器,并通过ADC前端将传输数据信号进行转化,再利用USB数据接口将转化后的数据信号传输到PC机上位机上。该系统的设计研究可以通过系统硬件器件的选择、硬件电路设计和软件设计等环节完成,将UBS接口的数据传输速度快、数据量大等优势特点与FPGA的数据缓存特点有效融合,可以实现高速的数据采集和传输,完全满足设计设想, 满足正常工作需求。
  参考文献
  丁传勇,刘婧,翁铁,等.基于USB接口的高速信号采集系统设计[J].数码世界, 2019(3):125.
  苗成林,李彤,吕军,等.基于FPGA的高速数据采集系统的设计与开发[J].信息通信,2015(9):48-50.
  何妙妙.基于FPGA的USB高速数据采集器[D].西安工程大学,2017.
  陈柯勋,王振田,王飞.基于FPGA和USB2.0的数据采集系统[J].工业技术创新,2017(5):255-256.
  作者简介:
  吉强(1985-),男,山东临沂人,江苏安全技术职业学院,硕士研究生,讲师,地址:江苏徐州贾汪区大学路1号。
其他文献
当今社会是一个电子化快速发展,信息化技术快速创新的社会,市场上各行各业信息化建设如火如荼,这给整个国家都带来了前所未有的深刻变化,对人们的日常生活和思想行为都带来了
摘要 :复兴号动车组出现了多起因受电弓及供电系统报警而引发的故障。总结故障的应急处理办法,提高动车组故障应急处理的效率,快速、及时的处理故障,减少动车组耽误运营的时间,降低社会影响。  关键词:受电弓工作原理 受电弓故障处理的办法 社会影响  正文:  引言  自复兴号动车组开通运用以来,出现了复兴号动车组出现了多起因受电弓及供电系统报警而引发的故障,有的车次甚至进行救援。为认真吸取事故教训,确保
综合应用中梯装置的时间域激发极化方法、可控源音频大地电磁测深法和相位激电测深等,在内蒙古东北部德尔布干多金属成矿带进行金属矿床勘查,取得了很好的效果。说明利用多参
政府信息资源的界定(一)政府信息资源政府信息资源包括政府部门为履行管理国家行政事务的职责而采集、加工、使用的信息资源;政府部门在业务过程中产生和生成的信息资源;由政
现当今,随着我国科技不断进步,我国的电力行业也得到了很大程度的发展。其中,电力行业的各个企业规模日益壮大,为社会经济的进一步发展起到了积极的促进作用。但是,电力企业
随着生活水平的提高,人们对清洁天然气的需要急剧增加,但我国能源储备特点是“富煤贫油少气”,煤炭的低效利用以及清洁天然气的储备不足,迫使我们大力发展煤制天然气工艺。目
摘 要:众所周知,时代的变化已经远远超过了人们可以想象的范畴,越来越多的领域的发展都开始依靠于新科技的力量,也正是顺应这股潮流,数字化领域开始被人们所熟知,并且逐渐运用与各个领域阶段。本篇课题将研究重点放在了数字化视角下的机械设计技术分析与研究,对于当前的研究现状以及未来的发展展望进行了细致的剖析,力求可以帮助数理化领域下的机械设计发展道路走得更加坚实与稳固。  关键词:数字化机械设计;技术分析;
作家刘诚龙做过一个有趣的调查,他把两份名单给人看,问是否熟悉这些人名。第一份名单是:傅以渐、王式丹、毕沅、林召堂等。第二份名单是:李渔、顾炎武、金圣叹、黄宗羲等。结果,被
孙中山先生所题“天下为公”这句名言众所周知,但很多人并不知道孙中山是为谁而题。
摘要:本文阐述了一種在变电站内折叠式仪表工具移动小车。该小车多重折叠设计,占地体积小,采用轻型材料,非常轻便,便于携带;而且,还采用缓冲器加大导轮设计,展开后的工作平台放上仪器及工具,也能在施工现场平稳行驶;小车前后还有遮光板和测试气囊,便于仪表读数及尾气收集。折叠式仪表工具移动小车实现高效、平稳、环保的应用效果,为电力现场工作提供必要的支持。  关键词:多重折叠;活动关节;缓冲器;导轮;遮光板;