基于FPGA的数据采集系统电路设计

泉州师范学院毕业论文（设计）题目基于FPGA的数据采集系统电路设计物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业2007级学生姓名李柏睿学号070303029指导教师曾永西职称讲师完成日期2011年4月2日教务处制1基于FPGA的数字采集系统电路设计泉州师范学院电子信息科学与技术专业070303029李柏睿指导教师曾永西讲师【摘要】本文介绍了基于FPGA的数据采集系统电路的工作原理和设计过程。根据数据采集技术原理，以Altera公司的EP2C8Q208C8N芯片为核心器件，通过ADC0809采集数据，并用DAC0832输出数据，在QuartusII平台上，通过VHDL语言编程完成数据采集系统电路的软件设计、编译、调试、仿真和下载，再与外围硬件电路相结合调试，最终设计出数据采集系统电路。【关键词】FPGA；QuartusII；VHDL；数据采集2目录第一章绪论..................................................................31.1引言....................................................................................................................................31.2EDA简介...........................................................................................................................31.3FPGA简介.........................................................................................................................31.4VHDL语言简介.................................................................................................................31.5QuartusII简介...................................................................................................................41.6数据采集技术简介...........................................................................................................4第二章总体设计..............................................................42.1硬件设计...........................................................................................................................42.1.1线性电源模块·············································································42.1.2数据采集模块·············································································62.1.3数据输出模块·············································································82.1.4按键控制模块············································································102.2软件设计.........................................................................................................................112.2.1ADCINT设计···············································································112.2.2CNT10B设计···············································································122.2.3RAM8设计··················································································122.2.4时钟控制设计·············································································122.2.5系统顶层设计·············································································13第三章系统软硬件调试.......................................................14结论.......................................................................15致谢.......................................................................15参考文献....................................................................15英文翻译....................................................................17附录一线性电源、FPGA外围电路和FPGA最小系统连接口PCB......................18附录二系统各模块VHDL程序..................................................193第一章绪论1.1引言随着数字系统的发展，广泛应用于各种学科领域及日常生活，微型计算机就是一个典型的数学系统。但是它只能对输入的数字信号进行处理，其输出信号也是数字信号。而在工业检测控制和生活中的许多物理量都是连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等,这些模拟量可以通过传感器或换能器变成与之对应的电压、电流或频率等电模拟量。为了实现数字系统对这些电模拟量进行检测、运算和控制，就需要一个模拟量与数字量之间的相互转换的过程。即常常需要将模拟量转换成数字量，简称为AD转换，完成这种转换的电路称为模数转换器，简称ADC。1.2EDA简介EDA，即电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）的缩写。它融合了大规模集成电路制造急速、ASIC测试和封装技术、FPGA/CPLD编程下载技术、自动测试技术、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）设计的设计概念，为现代电子理论和设计的实现和发展提供了可能性[1]。EDA技术是一种综合性学科，打破了软件和硬件见的壁垒，把计算机的软件技术与硬件技术、设计效率和产品性能结合在一起，它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向。EDA技术一般包括以下内容：1.大规模可编程逻辑器件；2.硬件描述语言；3.软件开发工具；4.实验开发系统[2]。1.3FPGA简介FPGA，即现场可编程门阵列（Field－ProgrammableGateArray）的缩写。它是一种集成度较高的器件，属于复杂PLD。FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点，在产品研发和开发中具有很大的优势。用FPGA做一些协议实现和逻辑控制，如果协议理解错误或者逻辑需要更改，不需要动PCB。另外，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。本设计用的是Altera公司的EP2C8Q208C8N芯片，里面有68416个逻辑单元，并提供了622个可用的输入/输出引脚和1.1M比特的嵌入式寄存器。它提高了百分之六十的性能和降低了一半的功耗，而低成本和优化特征使它为各种各样的汽车、消费、通讯、视频处理、测试与测量、和其他最终市场提供理想的解决方案[3]。1.4VHDL语言简介诞生于1983年的VHDL，是Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage的简称，1987年底，VHDL被作为“IEEE标准1076”发布。VHDL不仅可以作为系统模拟的建模工具，而且可以作为电路系统的设计工具，能通过QuartusII把VHDL源码自动转化为基本逻辑元件连接图，这极大的推进了电路自动设计[4]。VHDL能从多个层次对数字系统进行建模和描述，所以大大简化了电路设计的任务，4提高了设计效率。1.5QuartusII简介由Altera提供的FPGA开发集成环境―QuartusII，因为其运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点，迅速占领了市场[5]。QuartusII支持VHDL、Verilog的设计流程，提供了完整的多平台设计环境，能满足各种特定设计的需要，同时，它还具备仿真功能，因此给系统的软硬件设计和调试带来了很大的便利。1.6数据采集技术简介系统利用FPGA直接控制ADC0809对模拟信号进行采样，将转换好的8位二进制数据存储到存储器中，在完成对模拟信号一个或数个周期的采样后，通过DAC0832的输出端将数据读取出来。第二章总体设计2.1硬件设计2.1.1线性电源模块根据系统要求，需提供+12V、-12V、+5V的电源。因此我采用了滤波电容、防自激电容、LED灯及固定式三端稳压器LM7905、LM7812和LM7912等器件搭建成能产生精度高、稳定度好的直流输出电压的线性电源电路。系统的线性电源电路部分原理图如图2.1所示：5图2.1系统的线性电源模块电路当电路接通后，如果LED灯亮起，则代表能产生出要求的电压。为了实验的携带方便，我另外再加上电源变压器和整流电桥。在画PCB的时候，用大面积覆铜，有助于美观和节约实验器材。实物如图2.2所示：图2.2系统的线性电源实物图6PCB图见附录一。2.1.2数据采集模块系统采用ADC0809进行数据采集。ADC0809是逐次逼近式A/D转化器，由8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容组成的控制逻辑的CMOS组件。ADC0809每进行一次比较，即决定数字码中的以为码的去留操作，需要8个时钟的脉冲，而它是8位A/D转换器，所以它完成一次转换需要8*8=64个时钟，这样它的转换时间为t=64*（1/f），f为时钟频率。系统用的时钟为500KHz，所以ADC0809的转换时间为128us[6]。因为采样时需要满足采样定理，即采样频率需要大于等于输入信号最高频率的2倍，所以ADC0809能采样的最高频率为3906.25Hz。ADC0809的主要特性：1.分辨率为8位。2.具有转换启停控制端