FPGA多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計范文

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介紹了一種基于fpga的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由信號調(diào)理電路、DDC112組成的A/D轉(zhuǎn)換電路、FIFO存儲器、FPGA等部分組成。該系統(tǒng)可以同步采集多路數(shù)據(jù)，極大地提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸速度。

1前言

今年，全國煤礦共發(fā)生瓦斯事故7起，死亡23人。這些事故其中一部分原因是由于瓦斯抽采不到位造成的。在井下，由于受環(huán)境、生產(chǎn)、溫度、地形、設(shè)備等影響，瓦斯數(shù)據(jù)不易準(zhǔn)確地被采集，并實時傳輸?shù)降厣希瑥亩绊懥藢峦咚節(jié)舛鹊呐袛唷榱丝朔话愕臄?shù)據(jù)采集電路中采集的信號種類固定、通道數(shù)少、不能實時傳輸、使用范圍小等缺點，本文設(shè)計了一種基于FPGA的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、FIFO存儲器、FPGA等部分組成。使用FPGA對系統(tǒng)進行控制，使整個系統(tǒng)能夠?qū)崟r地傳送大量的數(shù)據(jù)并存盤，極大地拓寬了該系統(tǒng)的使用范圍（皮代軍，張海勇等，基于FPGA的高速實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計：現(xiàn)代電子技術(shù)，2009）。

2系統(tǒng)組成

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖，如圖1所示；主要包括信號調(diào)理電路，DDC112組成的A/D轉(zhuǎn)換電路，F(xiàn)IFO存儲電路、FPGA時序控制電路，以及USB總線傳輸接口等部分組成。

2.1信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要由可編程增益放大電路和濾波電路組成。可編程增益放大電路主要將傳感器采集到的微弱信號數(shù)據(jù)進行比例放大，以保證數(shù)據(jù)采集的完整性。可編程增益放大器可采用PGA202/203。根據(jù)增益范圍的不同，采用級聯(lián)的方式，可實現(xiàn)1～8000等16種不同的放大倍數(shù)。該放大倍數(shù)完全能滿足數(shù)據(jù)采集的要求。濾波電路的作用是將放大后的信號，進行濾波，濾掉噪聲以及不在采集范圍內(nèi)的信號，以保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。濾波電路可選用MAX262通用開關(guān)電容有源濾波器。該濾波器的特點是：配有濾波器設(shè)計軟件，可改善濾波特性，且?guī)в形⑻幚砥鹘涌冢奖闩cFPGA連接；對中心頻率和品質(zhì)因數(shù)Q可獨立編程；中心頻率范圍為75kHz，滿足數(shù)據(jù)采集要求。

2.2A/D轉(zhuǎn)換電路

信號調(diào)理電路輸出的信號為模擬信號，如要進行存儲，必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這就需要A/D轉(zhuǎn)換器。選用A/D轉(zhuǎn)換器要充分考慮其技術(shù)指標(biāo)：如分辨率、轉(zhuǎn)換速率、量化誤差、偏移誤差、滿刻度誤差、線性度等。充分考慮了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求，選用20位雙通道輸入、寬動態(tài)范圍的A/D轉(zhuǎn)換器DDC112。該A/D轉(zhuǎn)換器具有分辨率高、噪聲低、積分誤差和溫漂小等優(yōu)點，且滿量程可編程，以適應(yīng)不同強度的輸入信號，從而提高轉(zhuǎn)換精度，降低噪聲，+5V的工作電源更方便使用。從以上DDC112的性能指標(biāo)可知，DDC112滿足多路高速、高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。

2.3FIFO緩存器

由于本系統(tǒng)的采集通道多，采集到的數(shù)據(jù)必須進行預(yù)存儲后才能傳輸。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由硬件控制A/D轉(zhuǎn)換器，并通過VHDL設(shè)計自動向FIFO存儲器中存儲數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)采樣頻率由FPGA的輸出時鐘頻率決定。FIFO(FirstInputFirstOutput)即先進先出。先存入FIFO的數(shù)據(jù)先輸出，后存入FIFO的數(shù)據(jù)后輸出。FIFO存儲器是數(shù)據(jù)緩存作用，防止存儲時丟失數(shù)據(jù)，并且可對數(shù)據(jù)進行集中存儲，避免頻繁操作，減輕CPU負擔(dān)。FIFO存儲器很重要的一點是允許系統(tǒng)進行DMA操作，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，F(xiàn)IFO芯片容量越來越大，體積越來越小，價格越來越便宜。FIFO芯片以其靈活、方便、高效的特性，逐漸在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2.4FPGA時序控制電路

FPGA（FieldProgrammableGateArray）即現(xiàn)場可編程門陣列。它既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。對于井下瓦斯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，必須快速準(zhǔn)確地進行采集。本系統(tǒng)要求1秒內(nèi)須對數(shù)百個探測器做1440次采集,其數(shù)據(jù)量相當(dāng)龐大，而且重建圖像必須獲得掃描的相對位置，因此整個數(shù)據(jù)采集過程需有嚴(yán)格的時序控制。該時序控制電路采用了Altera公司的第三代FPGA產(chǎn)品StratixIIGX系列，該器件含有4至20個低功耗收發(fā)器，每個都帶有經(jīng)過優(yōu)化的時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路，可在622Mbps至6.375Gbps數(shù)據(jù)速率范圍內(nèi)實現(xiàn)優(yōu)異的信號完整性。經(jīng)過系統(tǒng)中的驗證，能夠可靠應(yīng)用于有線/無線通信、計算機、網(wǎng)絡(luò)、軍事以及醫(yī)療等領(lǐng)域，而且該系列的高性能架構(gòu)使得StratixIIGX器件成為高速背板接口、芯片之間和通信協(xié)議橋接應(yīng)用的理想選擇。這也正是本文選擇該芯片的原因所在。從圖1所示的系統(tǒng)原理框圖中可以看出FPGA，主要分為三大功能區(qū)：時序控制信號產(chǎn)生部分；數(shù)據(jù)接收和整合部分和A/D控制部分（但果等，醫(yī)用CT增益可編程的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計：CT理論與應(yīng)用研究：2005）。①時序信號產(chǎn)生部分該部分的作用主要是接收控制指令，并產(chǎn)生控制可編程增益放大器中的通道選擇寄存器的時序信號，以及負責(zé)A/D輸入信號的選通時序。②數(shù)據(jù)接收和整合部分是接收A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)和可編程增益放大數(shù)據(jù)，將兩者按照時序的對應(yīng)關(guān)系整合為一個字，并實時傳輸?shù)较到y(tǒng)的通訊系統(tǒng)中。③A/D控制部分根據(jù)可編程增益放大器中的通道選擇寄存器的選通信號產(chǎn)生控制包含環(huán)境中的可觀察變量。具體來說，智能體i的可觀察變量集合Oi分別為：O1={coin3,coin1,say1,say2,say3,pay1}O2={coin1,coin2,say1,say2,say3,pay2}O3={coin2,coin3,say1,say2,say3,pay3}智能體模塊的實例在系統(tǒng)模塊中生成，3個智能體模塊將同步執(zhí)行。由于該協(xié)議是一步可達的，因此其狀態(tài)遷移關(guān)系比較簡單，只需規(guī)定每個變量的下一步狀態(tài)維持不變即可。最后來考慮需要驗證的協(xié)議規(guī)范。根據(jù)協(xié)議要求，可以描述出該協(xié)議需要滿足的時態(tài)知識規(guī)范。下面的公式表示保密家1需滿足的時態(tài)知識規(guī)范：¬pay1⇒X(K1(¬pay1∧¬pay2∧¬pay3)∨(K1(pay2∨pay3)∧¬K1(pay2)∧¬K1(pay3)))該公式表示：若是保密家1沒有支付，則在下一個時刻（當(dāng)所有保密家都宣稱之后），他要么知道是國家安全局支付的，要么知道是其他保密家支付的，但無法確定具體是哪個人支付的。保密家2和3所需滿足的時態(tài)知識規(guī)范與此類似。

3實驗結(jié)果

本實驗使用的PC是奔騰2.4MHZ處理器，512M內(nèi)存，操作系統(tǒng)為LinuxRedhat9.0。我們分別針對3、4、5個保密家的情況進行了驗證，并在同一臺機器上分別用MCMAS和MCK進行了實驗。由于MCMAS的建模過程非常復(fù)雜，因此沒有在MCMAS上針對5個智能體的情況進行驗證。而對于MCK，雖然為其建立了4個和5個保密家情況下的協(xié)議模型，但是運行過程中由于內(nèi)存出錯而使得程序無法正常運行，這可能是因為MCK內(nèi)在的缺陷導(dǎo)致了異常發(fā)生。由表1可以清晰地看到MCTK在執(zhí)行時間上的顯著優(yōu)勢。此外，相比于MCMAS，MCTK的建模過程更加容易（對于同一規(guī)模的問題，MCMAS的代碼數(shù)量是MCTK的十倍左右)；相比于MCK，MCTK的擴展性要大大超越前者，在保密家就餐協(xié)議中MCK只能對3個保密家的情況進行驗證，而MCTK可以擴展到4個、5個甚至更多個的情況。

4結(jié)束語

本文通過使用時態(tài)知識邏輯的模型檢測工具很好地實現(xiàn)了基于知識的安全協(xié)議的自動驗證。從實現(xiàn)過程不難看出，使用模型檢測時態(tài)知識邏輯的方法能自然地描述協(xié)議中的信息流，并且能對協(xié)議中的時態(tài)知識規(guī)范進行正確地驗證。同時，本文的工作為研究安全協(xié)議的匿名性提供了全新的思路，這也讓我們看到了模型檢測時態(tài)知識邏輯理論在安全協(xié)議領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。然而，模型檢測時態(tài)知識邏輯的理論和工具目前還不能有效地用于密碼協(xié)議的驗證，今后可進一步開展這方面的研究，進而將本文介紹的方法拓展到密碼協(xié)議的驗證中去。

作者：吳居娟 單位：山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院電氣工程系