基于FPGA的教学实验数据采集系统设计

解博江 朱永琴

摘要：针对传统教学实验数据采集中存在的采集用时较长，无法满足教学实验的需要问题，开展对教学实验数据采集系统的设计研究。通过对FPGA控制、信号调理电路、模拟数字转换器等硬件设计，以及对系统软件流程设计，完成基于FPGA的教学实验数据采集系统设计。通过对比实验证明，该系统与传统系统相比有效缩短了对数据采集的时间，进一步提高实验教学的效率。

关键词：FPGA;教学实验;数据采集

中图分类号：TP274.2 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）18-0196-02

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在实验教学中数据采集的重要性日益明显，并且已经成为教学实验中计算机与外部物理世界连接的桥梁，是各个实验中的重要工具。利用数据采集可以对教学实验过程中的各项参数进行采集、监测和记录，更快的找出实验过程中产生的问题或实验结果[1]。FPGA指可编程逻辑门阵列，具有速度快、集成性高、可靠性高以及灵敏度高等优势，在数据采集领域中被广泛应用[2]。FPGA具有丰富的电平接口，与其他可编程器件相比更适用于不同的协议当中，且FPGA的内部逻辑资源较为丰富，因此并行性与扩展性都较一般可编程器件更好，适用于教学实验对数据采集的要求。因此，本文基于FPGA的优势，对教学实验数据采集系统进行详细的设计说明。

1 基于FPGA的教学实验数据采集系统硬件设计

本文提出的基于FPGA的教学实验数据采集系统以现场FPGA可编程逻辑门阵列为核心的控制器，整个系统由控制器控制采集教学实验数据。在本文系统中，通过传感器将采集到的信号接收并发送到调理电路中进行适当的调整和变换，转变为与模拟数字转换器相匹配的电量信号，再送人到模拟数字转换器电路中，转换为数字信号，再将数字信号发送到FPGA芯片中，对数字信号进行缓存处理，再进行快速傅里叶变换，最终在显示器中将采集到的教学实验数据实时显示[3]。数据信息以经过串口的方式发送到上位机中，在上位机中进行下一步的分析和存储操作。

1.IFPGA控制设计

FPGA控制是本文教学实验数据采集系统的核心，FPCA控制的主要功能是完成对模拟数字转换器的控制、对数据传输的识别、对显示器的控制以及对上位机的通信控制功能。根据本文系统需要，选择型号为EQ2C1000-G213的FPGA芯片作为数据采集的主控制芯片。EQ2CIOOO-G213型号的FPGA芯片共有1835个LC，逻辑容量约为180万系统门。内置8个PLL，可实现使用去偏斜、相移、频率合成等功能。共计192个存储单元，总容量为864Kbit。最多可提供16路全局时钟信号，支持主动及被动配置方式，兼容商业配置芯片。采用CBGA575封装，最大USER l/0数目达324个，芯核电源电压为I.5V。支持多种1/0标准：3.3 V/2.5v/1.8V/ 1.5V_LVITULVCM OS标准，支持SSTL2/SSTL3标准，支持LVDS标准。具有可编程的1/0驱动能力、摆率控制、总线保持、弱上拉等功能。具有48个可编程DSP单元实现数字信号处理功能。支持主串、从串、主并、被并，内置兼容JTAG标准的边界扫描电路。与同等功能的其他芯片相比具有价格低、性能高以及资源丰富等优势。基于该芯片可根据用户配置码实现定制功能设计。

EQ2C1000-G213型号的FPGA芯片在工作过程中需要的电源为芯片核心电压和芯片的1/0接口电压。前者电压值为2.5V，后者电压值为4.5V。本文教学实验数据采集系统采用的电源方案为：从系统外部引入一个电压为10V的电源，在为FP-GA芯片外围电路供电的同时，将剩余的电压通过变换转变为4.5V和2.5V的电源，为FPGA芯片供电。FPGA供电电路示意图如图1所示。

EQ2CIOOO-G213型号FPGA芯片采用的供电电路为低压差线性稳压芯片，型号为DN2545的低压差线性稳压器。该型号低压插线稳压器最低的输入输出电压差为1.5V，当电流为700mA时，云=允许FPGA芯片的最低输入输出电压差为1.5V。

1.2信号调理电路设计

教学实验数据采集系统的数据均来自传感器采集到的信号。根据实验的不同类型检测不同的物理量，选择不同类型的传感器设备，因此存在输出信号大小难以调节的问题。针对这一问题对传感器进行检测，并将输出的信号转入到信号调理电路中，通过调整输入到模拟数字转换器电路的信号平与模拟数字转换器的测量范围匹配，提高模拟数字转换器在测量过程中的分辨率。

信号调理电路是由程控放大电路与低通滤波电路组成，成孔放电电路的放大倍数会根据具体情况产生变化，而通过FP-GA器件的程序控制会根据输入信号的大小而发生改变，保证当输入不同大小的信号时，输出的信号的变化幅度不大，仍保持在相同的范围以内。调理电路中的主要组成为滤波电路，当系统开始对教学实验的数据采集时，传感器监测到的信号通常情况下时由多个不同频率的分量构成的，在采集过程中信号中除了有效信息外，还包含一定的噪声信号，影响采集精准度因此采用合理的电路选择性的将干扰信号过滤，完成信号调理电路的主要工作。

1.3模拟数字转换器设计

模拟数字转换器的精准度直接影响本文教学实验数据采集系统的精准度和采集速度，因此根据系统的需要选择型号为AD9224ARSZ的16位半闪速结构模拟数字转换器，该型号模拟数字转换器不仅具备高速模拟数字转换的功能，其内部还具备采样保持电路，简化外围电路设计。可以将单片机、PLC/DCS、仪器仪表输出PWM方波信号的占空比经隔离转换为标准4-20mA/0-10V模拟信号，实现单片机PWM信号的隔离放大和显示控制功能。模拟数字转换器同一模块内集成了多路高隔离DC/DC电源、模拟放大与变换电路、PWM信号隔离控制电路等，适用于在教学实验过程中将实验产生的PWM信号还原隔离变送，单片机、现场总线、以太网物联网、PLC/DCS上位机对多路传感器信号采集和分析。该型号模拟数字转换器主要性能指标为：10V单电源供电;16位分辨率;最大转换速率为25MSPS;转换数据的等待时间为1.5个始终。

外部时钟信号由AD9224ARSZ的C时钟信号输入脚传输，由内部的时钟信号发生器转换为三路时钟信号，用于驱动两路采样比较器，由编码器生成数字信号，由高四位和低四位合并形成最终的14位传输数据。

2 基于FPGA的教学实验数据采集系统软件设计

本文基于FPGA的教学实验数据采集系统的软件部分用于实現FPGA芯片对系统外围电路的控制，并完成对采集到的教学实验数据存储和处理的工作。图2为本文系统的软件流程设计示意图。

本文系统软件部分分为模拟数字转换、数据存储、数据处理、数据显示、串行通信控制以及键盘按键控制六个部分。本文系统的软件工作流程为：首先，通过对键盘的按键操作发出对应的信号将模拟数字转换器启动，在时钟信号的控制中，FP-GA芯片内部的模拟数字转换控制将信号有序的转为两路，并分别存放在存储器当中，其中一路的信号送到数据处理模块中，完成对数据的快速傅里叶变换，再送人到显示器中实现对教学实验数据的实时显示。另一路通过串行通信控制将信号送人到连接的上位机中完成对数据全面复杂的处理，并将数据存储在上位机中。

存储模块是在系统运行过程中将存储器结成一个环，并在其内部设定对应的读指针和写指针，用于完成写址操作，通过两个指针的大小判断存储器此时的读写状态。当系统对存储器进行写数据时，写指针会随着数据的录入而增加，当存储器进行读数据时，读指针也会随着数据的录入而增加。为了进一步保证本文系统对教学实验数据传输的准确性，在使用模拟数字转换、显示和通讯时对数据进行缓冲处理。

3 实验论证分析

选用两台计算机，其中一台用于模拟教学实验时产生的数据，另一台用于模拟与系统相连接的上位，将实验数据显示。分别利用本文提出的基于FPGA的教学实验数据采集系统与传统的数据采集系统对5次教学实验过程中产生的数据进行采集，并根据上位机中得到的数据信息比较两个系统对实验数据采集的时间，绘制如图3所示的实验结果对比图。

根据对比实验及图3中的数据可知，本文系统在对5次教学实验数据采集的最多耗时20.47ms，而传统系统的5次教学实验数据采集最多耗时为76.14ms。从总体来看，本文系统的平均数据采集时间明显少于传统系统。因此通过对比实验证明，本文提出的基于FPGA的教学实验数据采集系统有效缩短了教学实验数据采集的时间，进一步提高了系统的采集效率，充分满足教学实验对数据采集高效性和精准性需要。

4 结束语

数据采集时获取信息的基本手段，通过本文研究提出了一种全新的教学实验数据采集系统，该系统具备完整数据采集与处理的基本功能，可作为教学实验设备使用。通过本文研究希望为数据采集系统的实际提供全新的设计思路。

参考文献：

[1]任磊磊，余佩炫，罗萃文.基于CompactRIO的中性束高压平台电源数据采集系统设计与应用[J].计算机测量与控制，2019，27（1）：181-184，189.

[2]张嘉霖，王世隆，魏一鸣，等.基于FPGA硬件时间流与GPS的同步采集系统设计[Jl.实验室研究与探索，2019，38（10）：84-87.

[3]杨飞，穆向阳，赵勇勇.基于FPGA的微弱信号高速数据采集与处理系统设计[J].工业控制计算机，2019，32（11）：48-49，51.

[4]李海涛，李斌康，阮林波，等.用于脉冲辐射场诊断的大动态范围数据采集系统研制[J].现代应用物理，2019，10（4）：83-88.

【通联编辑：张薇】

基金项目：本项目由黄河交通学院焦作市面向现代物流服务业的RFID工程技术支持

作者简介：解博江（1991-），男，河南驻马店人，硕士研究生，助教，研究方向：智能信息处理;朱永琴（1984-），女，河南郑州人，学士，讲师，研究方向：数字系统设计。