基于FPGA的高速数据采集系统的研究

论文摘要

当今国际形势变幻莫测,各国军事实力不断攀升,为加强空中防御,本文针对高炮在炮口实测弹丸初速,根据敌机飞行高度及航速、航向实时通过无线信道装定智能引信的起爆时间的验证测试进行研究。本文研究一种采样速率达到100MSPS能放置到小口径高炮弹丸内的高速数据采集系统。在数据采集理论的基础上,提出系统整体设计方案:只有一片单端转差分运放;一片高速ADC;一片FPGA实现ADC、FIFO及SDRAM控制;一片存储芯片SDRAM。对采集模块的硬件电路设计、SDRAM存储模块的软件设计及少量电源器件拓扑结构设计进行了详细的阐述,包括器件的选择原则、工作原理及仿真时序等。在此基础上,应用相关理论研究了高频信道的保真度及电磁兼容问题,应用Hyper Lynx软件对基于信号完整性的采集板进行全面仿真设计,做出原理样机,最后对系统进行功能验证。本文重点阐述了FPGA的控制逻辑、电磁兼容性分析及信号完整性设计。通过对系统的测试及功能验证,系统在100MHz的频率下能够正常工作,整体设计及完成功能达到高速数据采集系统初样机的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本课题的研究背景及意义
• 1.2 高速数据采集存储的发展现状及前景
• 1.3 高速数据采集存储面临的关键问题
• 1.4 论文的主要内容和研究方法
• 2 高速数据采集存储系统理论及总体构架设计
• 2.1 高速数据采集基本理论
• 2.1.1 数据采集的基本流程
• 2.1.2 数据采集的基本理论
• 2.2 高速数据采集存储系统的总体构架
• 3 高速数据采集存储系统关键模块设计
• 3.1 中心控制器件FPGA 的设计
• 3.1.1 FPGA 设计流程
• 3.1.2 FPGA 选型
• 3.1.3 FPGA 的配置
• 3.2 采集控制模块设计
• 3.2.1 ADC 芯片选择
• 3.2.2 A/D 前端信号调理电路设计
• 3.3 FPGA 内部搭建FIFO
• 3.4 存储控制模块设计
• 3.4.1 芯片选择
• 3.4.2 DRAM 工作原理
• 3.4.3 SDRAM 控制器的设计
• 3.5 时钟模块
• 3.6 电源模块
• 4 基于信号完整性的 PCB 设计与仿真
• 4.1 高速PCB 设计存在的问题
• 4.1.1 电磁兼容概述
• 4.1.2 电源完整性概述
• 4.1.3 信号完整性概述
• 4.2 信号完整性理论基础
• 4.2.1 传输线反射
• 4.2.2 串扰
• 4.3 HyperLynx 仿真在 PCB 设计中的关键作用
• 4.3.1 HyperLynx 功能简介
• 4.3.2 布线前信号完整性分析
• 4.4 高速PCB 设计经验规则
• 4.4.1 原理图中的信号完整性设计规则
• 4.4.2 PCB 中的信号完整性设计规则
• 4.5 关键网络的信号完整性分析
• 5 系统调试与功能验证
• 5.1 高速数据采集系统的调试
• 5.2 功能验证
• 6 总结
• 6.1 全文总结
• 6.2 本文的创新点及不足
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研工作
• 致谢