基于fpga的大容量多通道同步高速数据采集卡的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于FPGA的大容量多通道同步高速数据采集卡，该采集卡包括FPGA，所述FPGA包括数模转换控制接口、FIFO缓存、存储器控制接口和网络通信控制接口，数模转换控制接口连接有8路模数转换器，8路模数转换器分别连接有8路运放调理电路，8路运放调理电路分别连接有8路信号输入接口；存储器控制接口连接有4片NAND flash存储器；网络通信控制接口通过网络与网口与计算机通信连接。本数据采集卡具有多通道采集及其控制电路，所有通道之间有共同的同步触发信号，实现真正同步并行采集，便于对数据的精确分析和对比，广泛适用于冶金、化工、医学和电器性能测试等许多需要同时对多通道快变的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机传送的场合。
【专利说明】基于FPGA的大容量多通道同步高速数据采集卡
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种数据采集卡，具体地指一种基于FPGA的大容量多通道同步高速数据采集卡。
【背景技术】
[0002]目前，计算机技术在飞速发展，微机应用日益普及深入，微机在通信、自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用。在冶金、化工、医学和电器性能测试等许多应用场合需要同时对多通道快变的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机传送，再由上位机进行数据分析处理、自动报表生成、信号波形显示和输出打印等处理，而数据采集卡在整个数据采集系统中起着承上启下，至关重要的作用。
[0003]数据采集卡发展到现在，已经在速度和接口方式上有了很大的改进。就市场上的数据采集卡而言，它的速度已经突破了 500MHz，其接口方式也已经拓展到ISA、PC1、USB、PXI等多种接口，目前，市场上的数据采集卡产品基本上是针对数据采集传输这一功能而研制的，在多通道方面，一般采用模拟开关切换的方式实现多通道同时采集，这样得到的数据并不是真正同步的数据；在板卡存储容量方面，采集卡本身自带很小的缓存，缓存满了后传给微机进行分析处理，这样在需要离线采集的时候采集卡便无法工作；在通信控制方面，目前市场上的采集卡一般要配合微机一起工作，无法实现远距离离线采集。
【发明内容】
[0004]本实用新型目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种基于FPGA的大容量多通道同步高速数据采集卡，该数据采集卡采集数据精度高、采样速率快、采样范围大、采样通道多、数据存储容量大、信速度快、距离远，便于扩展。
[0005]实现本实用新型目的采用的技术方案是:一种基于FPGA的大容量多通道同步高速数据采集卡，包括FPGA，所述FPGA包括数模转换控制接口、FIF0缓存、存储器控制接口和网络通信控制接口，所述数模转换控制接口连接有8路模数转换器，所述8路模数转换器分别连接有8路运放调理电路，所述8路运放调理电路分别连接有8路信号输入接口 ；所述存储器控制接口连接有4片NAND flash存储器；所述网络通信控制接口通过网络与网口与计算机通信连接。
[0006]进一步地，所述运放调理电路包括运放跟随电路及与其连接运放衰减电路，运放跟随电路与信号输入接口连接，运放衰减电路与模数转换器连接。
[0007]更进一步地，所述运放衰减电路连接有外围电阻器件。
[0008]在上述技术方案中，所述FPGA连接有电源、时钟和复位电路。
[0009]本实用新型基于FPGA的大容量多通道同步高速数据采集卡具有如下优点:
[0010]1、本数据采集卡具有多通道采集及其控制电路，每路信号都有独立的运放调理电路，独立的模数转换通道，独立的FIFO缓存器，与传统的采用模拟开关切换的方法相比消除了各个通道之间的信号干扰和数据交差错乱的可能，而运放调理电路还能够更改外围电阻器件的参数来调节采集电压范围。此外，本数据采集卡中所有通道之间有共同的同步触发信号，实现真正同步并行采集，便于对数据的精确分析和对比。
[0011]2、本数据采集卡中的数据存储电路采用NAND flash存储器，其特点是储存速度快，容量大，掉电不丢失。目前市场上的采集卡都只有极小的数据缓存，这个设计极大的改善了采集卡在离线数据采集方面的不足。
[0012]3、本数据采集卡的网络通信控制接口采用专用的网口芯片实现计算机与板卡的网口通信，与一般采集卡的ISA、PC1、USB、PXI等多种接口相比，网口的传输距离更远，更容易实现接口扩展。用网口通信使得采集卡不必紧紧依附计算机，能在嵌入式系统中更方便更灵活的应用。本数据采集卡由上位机软件界面实现工作频率的设置与工作方式的转换使功能更改和升级更加方便。
[0013]4、本数据采集卡的控制器由可编程器件FPGA实现，FPGA能够定制片上系统，同时还能定制片上FIFO，可以设计各种硬件控制接口程序，实现一个芯片同时控制各个采集及存储模块，相当于将很多外围电路集成到一个芯片上，不仅降低了功耗同时也大大降低了成本和电路的复杂性。
[0014]本实用新型基于FPGA的大容量多通道同步高速数据采集卡的采样频率可达到200kps，采样精度为24位，采样范围为+/-10V，单卡通道数为8，可实现多卡扩展，单卡存储容量为64Gb，对外16位I/O接口(方向可根据需要设定)，满足了对多路数据同步高速采集并存储的需求，广泛适用于冶金、化工、医学和电器性能测试等许多需要同时对多通道快变的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机传送的场合。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本实用新型基于FPGA的大容量多通道同步高速数据采集卡的结构框图。
[0016]图2为FPGA控制器运行流程图。
【具体实施方式】
[0017]本实用新型并不局限于下面所述或是图示的结构和实施细节，本实用新型还可以有其他的具体实施例，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0018]如图1所示，基于FPGA的大容量多通道同步高速数据采集卡包括控制器，控制器包括数模转换控制接口、FIF0缓存、存储器控制接口和网络通信控制接口，数模转换控制接口连接有8路模数转换器，8路模数转换器分别连接有8路运放调理电路，8路运放调理电路分别连接有8路信号输入接口 ；存储器控制接口连接有4片NAND flash存储器；网络通信控制接口通过网络与网口与计算机通信连接。
[0019]控制器主要用来根据上位机的命令实现对采集卡的各个模块的相应控制。本是实力控制器是FPGA的片上系统:n1s II软核控制器，控制器接收上位机的命令后通过对模数转换器控制接口、数据储存器控制接口及网络通信控制接口的参数设置来完成对整个采集卡的各个功能模块的控制。本发明选用的FPGA是ALTERA公司的Cylone III系列的EP3C16Q240C8,也可以是XILINX或其它公司的FPGA。
[0020]本实施例所用控制器由现场可编程门阵列(FPGA)构成，其相关控制部分有主要有:n1s II软核控制器、模数转换器控制接口、数据储存器控制接口及网络通信控制接口，还包括SDRAM控制器、EPCS控制及与外界的I/O接口通信电路等。其中EPCS控制和SDRAM控制器保证FPGA最小系统正常运行，采集卡通过网口接收上位机的命令，然后经过控制器进行命令解析后对模数转换器控制接口、数据存储器控制接口等做出相应的控制来完成上位机的命令使上位机获取需要的数据。
[0021]本实用新型中每I路运放调理电路的运放调理电路包括面一级运放跟随电路和后面的运放衰减电路，运放跟随电路与I路信号输入接口连接，运放衰减电路与模数转换器连接。运放跟随电路隔断输入信号和采集卡电路，使输入信号不会受到采集卡电路的影响。运放衰减电路将输入的单端信号变为差分信号送入模数转换器。运放衰减电路还可以连接有外围电阻器件，同时通过配置运放外围电阻可以调节运放的衰减倍数。在本实用新型中，包含8路这样的运放调理电路，8路输入信号都相互独立，互不影响。本实用新型还通过精密基准源为模数转换器提供稳定精准的参考电压，模数转换器如图所示含有8对差分输入接口，内部结构中还包括8路滤波器，8路输入能并行采集，并且有同步触发信号使8路信号能同步采集，采集精度高达24位，速率可达200Kps。接收到的输入信号经过前端运放跟随电路和模数转换器中的滤波电路可以滤除部分噪声并有效保护输入信号免受采集卡电路的影响。
[0022]本实施例所用存储器选择的是三星公司的NAND flash，K9KAG08U0M，其存储容量高达16Gb，存取速度可达3MB每秒。控制接口是在FPGA上用Verilog硬件描述语言设计的，能够正确的驱动NAND flash，且读写控制非常方便。本实用新型中每块采集卡上包括4块这样的存储芯片，使每块采集卡存储容量达到64Gb，极大的扩展了板卡的储存容量，每两路信号共享一块存储器，通过地址设定使各路信号的存储互不影响。
[0023]本实施例含有8路滤波器和8路差分信号输入接口，8个通道之间共享一个系统时钟、一个采样时钟和一个同步触发信号，使8路信号虽然相互独立，但是依然能实现同步采集。模数转换器由FPGA控制，转换的数据保存于FPGA的片上FIFO缓存中。本实用新型选择的FPGA拥有丰富的片上存储资源，在FPGA上定制合适的FIFO缓存既能满足设计的需求，同时省去专用FIFO的开发成本，使电路更简洁，当FIFO缓存中的数据达到一定量后再由存储器控制接口程序将数据存入NAND flash中。定制的FIFO缓存大小为2K，位宽为24位，本实用新型中含有8块这样的FIFO缓存，在速度，位宽和通道独立性上都能很好的满足需求。
[0024]本实用新型中采用专用网口芯片W5200进行开发设计，在FPGA上设计网口芯片的驱动及控制代码，网口通信主要是由计算机向采集卡发送命令控制码以及采集卡向计算机上传采集的数据。采用网口通信使得计算机能远程控制采集卡，并且速度快、距离远、方便扩展，容易实现多块采集卡的同时控制。
[0025]本实用新型采用的控制器是在FPGA上定制的n1sll软核处理器，采用软核处理器能根据具体的需要来定制相应的模块，使得处理器结构更加清晰，同时节省了开发成本，降低了电路设计的难度。控制器运行流程如图2所示。
[0026]本实用新型工作如下:需要采集的信号通过运放跟随电路和运放衰减电路后，由模数转换器中的滤波器滤波，消除干扰和噪声，然后经过采样转换为数字信号后存入FIFO缓存中，数据达到设定的量后再存入NAND flash,控制器等待上位机的命令，在需要上传数据的时候将NAND flash中的数据读出传至上位机。图1中的NAND flash具有很大的容量，能长时间工作，而且存储和读出的速度都非常快，很适合应用于高速数据采集卡。图1的控制器主要用来根据上位机的命令实现对采集卡的各个模块的相应控制。
【权利要求】
1.一种基于FPGA的大容量多通道同步高速数据采集卡，包括FPGA，其特征在于:所述FPGA包括数模转换控制接口、FIFO缓存、存储器控制接口和网络通信控制接口，所述数模转换控制接口连接有8路模数转换器，所述8路模数转换器分别连接有8路运放调理电路，所述8路运放调理电路分别连接有8路信号输入接口 ；所述存储器控制接口连接有4片NANDflash存储器；所述网络通信控制接口通过网络与网口与计算机通信连接。
2.根据权利要求1所述基于FPGA的大容量多通道同步高速数据采集卡，其特征在于:所述运放调理电路包括运放跟随电路及与其连接运放衰减电路，运放跟随电路与信号输入接口连接，运放衰减电路与模数转换器连接。
3.根据权利要求1所述基于FPGA的大容量多通道同步高速数据采集卡，其特征在于:所述运放衰减电路连接有外围电阻器件。
4.根据权利要求1所述基于FPGA的大容量多通道同步高速数据采集卡，其特征在于:所述FPGA连接有电源、时钟和复位电路。
【文档编号】G06F17/40GK204087204SQ201420567494
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】沈维聪, 罗文林, 朱亮, 肖伟翔 申请人:武汉理工大学