多通道數據采集系統分析范文

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摘要：

為了實現加速度傳感器批量標定測試，能讓16個加速度傳感器同時并行測試，設計了基于FPGA和以太網的多通道數據采集系統。該系統以FPGA為核心控制芯片，實現16路模擬信號的實時采集、編幀與數據存儲，并通過以太網接口芯片W5300完成與上位機的通信。整個系統采用模塊化設計，功耗低、采集精度及可靠性高、實時性好，已成功應用于加速度傳感器批量標定測試設備中。

關鍵詞：

FPGA；以太網；數據采集；W5300

在數字化的今天，數據采集在人們的生活中起著不可或缺的作用，作為信號處理過程中的一個重要環節，數據采集已經廣泛應用于雷達、聲納、瞬態信號測試、無線探傷等諸多領域［1-2］。但隨著應用的深入，在對一些復雜的系統進行多通道連續高速數據采集時，對數據采集系統的實時性和可靠性以及控制精度都有較高的要求，這些復雜系統的通信方式通常采用USB來與計算機通信。目前流行的USB不僅傳輸距離有很大的限制，而且穩定性不高，容易掉線，同時，由于系統電路設計不合理、時鐘偏差等問題，造成數據傳輸不穩定。針對以往所發現的問題，本系統設計了以FP⁃GA為核心控制器，采用能夠長距離傳輸、性能穩定的以太網來實現數據傳輸。該系統是在實際的應用背景下設計的，通過合理的選取高速、高精模數轉換器，優化數據采集系統的電路設計和時序設計［3］，對16路加速度傳感器數據進行采集，以便實現加速度傳感器的批量標定測試。

1系統總體方案設計

由于FPGA具有高的時鐘頻率，運行速度快，開發周期短，集成度高，功耗低，設計費用低，組成形式靈活等諸多優點［4］。因此本系統主控芯片選用Xilinx公司的FPGASpartan-3系列的XC3S400，整個系統采用模塊化設計。按照技術指標要求設計了各功能模塊，主要由FPGA控制模塊、多路傳感器、電源模塊、多路模擬選擇開關模塊、信號調理模塊、A/D轉換模塊、以太網接口模塊以及上位機等組成，整體電路框圖如圖1所示。多路模擬信號進入后，先經過一階低通濾波器，去除高頻噪聲，再經運算放大器進行跟隨，通過16選1模擬開關，多路信號分時輸出給ADC采集電路，在ADC采集前，對信號進行分壓和跟隨調理，之后進入A/D轉換器，由FPGA控制模擬開關進行通道切換并控制A/D轉換器進行數據的采樣、量化和編碼［5］，最后將轉換后的數據通過以太網接口芯片上傳至上位機，上位機實現數據的處理和分析。

2系統硬件設計

設計要求輸入信號電平為0～5V，異常時為-1V～+7V設備不損壞，上電工作時輸入阻抗Rin≥2MW。模擬信號輸入接口電路如圖2所示。電路中輸入端R10（3M）保證輸入信號開路時設備可正常工作，該電路輸入開路時，輸入端通過R10拉低。運放輸入端電阻R4一方面起到限流作用，為了避免信號異常對運放造成損壞而串接在輸入端，另一方面R4還可以與C5構成一階低通濾波器，用于濾除高頻，信號的截止頻率。（1）該運放單電源供電簡單、少用電源模塊以提高可靠性，可以實現軌到軌的跟隨。（2）速度滿足輸入信號要求，可以與后續的模擬開關速度及阻抗匹配。（3）容性負載驅動能力強，避免出現信號振蕩。

2.1模擬開關電路設計模擬開關選用的是ADG706，ADG706具有16路輸入通道，通過選擇EN使能端高低控制端A0-A3的二進制編碼來確定所選擇的輸出通道。電路如圖3所示。

2.2A/D轉換電路設計A/D轉換電路模塊采用AD7667芯片，AD7667是16位單通道A/D轉換器，信號調理模塊輸出的信號進入A/D轉換模塊，A/D轉換電路模塊原理圖如圖4所示。模擬信號V1（0-5V）經電阻R25、R26進行分壓，將0~5V的信號調理到AD7667的輸入范圍值V2（0~2.5V），V2經過AD8031跟隨后，增加了驅動能力。R27、C2構成一階濾波電路，能夠保證運放穩定驅動A/D轉換器的容性輸入負載，并限制了運放的噪聲帶寬，減少噪聲干擾。最后輸出的信號輸入至A/D轉換器芯片AD7667［6］。

2.3以太網接口電路設計以太網接口協議芯片使用WIZnet公司生產的硬件協議棧芯片W5300，主要硬件連接原理如圖5所示。FPGA和W5300的接口信號有數據總線、地址總線以及一些控制信號，W5300工作在直接尋址模式下，FPGA通過地址總線可直接訪問W5300內部的各個寄存器或存儲器，直接尋址模式比間接尋址模式具有更高的訪問速度。BITI6EN引腳決定數據總線模式：BIT16EN拉高時為16位寬數據總線模式，BITI6EN拉低時為8位寬數據總線模式。本設計通過FPGA設置BITl6EN信號為高電平，實現16位數據總線工作模式，并采用直接尋址模式來實現數據的高速訪問。在以太網的設計中，外部接口的設計不可忽視，它關系到數據傳輸的抗噪聲能力和穩定性以及傳輸距離：在數據傳輸過程中為了增強W5300的差分信號抗干擾能力，防止不同電平通過網線傳輸損壞設備，W5300與RJ45之間采用網絡隔離變壓器連接，其支持頻率高達300MHz，既能滿足高速以太網的頻率要求，又能有效地保護接口電路。W5300芯片設有外置指示燈輸出，當網絡連接成功時，LIN⁃KLED引腳輸出低電平；當有數據包發送時，發送端TXLED輸出低電平，接收端RXLED輸出高電平。通過觀察外置指示燈，可以實時顯示以太網的數據傳輸動態［7］。

2.4電源電路設計通過LM2576HVS-5產生的+5V為整個系統提供電源，其中模擬開關ADG706、運放AD8608、AD7667等芯片直接使用該電源。其他電路使用轉換后的電源，主要通過雙路輸出低壓降穩壓器TPS70345和低壓差線性穩壓芯片AMS1117-2.5，其中TPS70345芯片將5V電源轉換成3.3V和1.2V電壓，AMS1117-2.5芯片將5V轉化成2.5V。為了增強系統穩定性，設計中增加了濾波電容，對模擬地和數字地做了隔離處理。

3數據采集的控制邏輯設計

在FPGA的控制邏輯下，通過模擬開關ADG706切換采集通道，模數轉換芯片AD7667采用異步快速采集模式對信號進行采集和轉換，為了節約使用FPGA的I/O引腳，降低成本，將A/D轉換完成的16位高精度數據的高8位和低8位分時從AD7667的［D7：D0］輸出［8］。AD7667輸出的數據第1時間存儲在FPGA的內部RAM中，通過編幀，以一定的幀格式通過以太網發送至PC端。具體通信幀格式如表1所示。

4系統試驗與結果

試驗中用信號發生器產生波形作為輸入信號，輸入0~3V、頻率為1kHz的正弦信號，采集到的部分通道數據如圖6所示，通過上位機軟件進行分析，正弦信號波形如圖7所示，橫坐標表示采集時間，縱坐標表示采集的電壓，縱坐標電壓數據與采集數據對應關系式。

5結束語

本設計介紹了一種基于FPGA和以太網的多通道數據采集系統，該系統采用以太網通信，接口芯片選用集成協議棧的W5300，節省了FPGA的資源使用。系統經實驗驗證，運行穩定可靠，實現了多通道加速度傳感器數據的采集和傳輸，并且系統結構簡單、成本低廉，具有很高的實用價值。

作者：焦佳偉 石云波 鄒坤 單位：中北大學電子測試技術國家重點實驗室 蘇州中盛納米科技有限公司