基于FPGA的微弱信号高速数据采集系统的设计

论文摘要

数据采集系统就是采集目标信号、对其进行存储并处理，转换成计算机可以识别的数据格式，并且最终依据需要进行不同数据形式的输出的系统。目前大多数的数据采集系统都是针对大信号而言的，很少有针对微弱信号的。然而，无论是在对科学的研究中，还是在日常的工程实践中，遇到需要采集微弱信号的问题是常见的，所以研究采集对象为被背景噪声覆盖的微弱信号的数据采集系统是很有必要的，它在物理、生物、力学、电力等领域都有广泛的应用。此外，高速传输、实时处理和抑制噪声、改善SNR是微弱信号数据采集系统所追求的目标。根据上述需求，本论文设计了以FPGA为核心芯片的微弱信号数据采集系统。本论文详细阐述了微弱信号数据采集系统中的关键技术，包括数字式多点平均技术、A/D转换技术、逻辑控制和信号处理技术、数据传输技术等，以这些关键技术为理论依据，提出了数据采集系统的总体设计方案，并在Matlab中对线性累加平均算法进行仿真，分析讨论其性能。在系统的硬件设计中，分别对前端采集电路、存储电路、FPGA控制及配置电路、USB接口电路、时钟电路、电源电路这几个部分进行设计，并依照高速电路PCB设计原则，绘制系统的六层PCB版图。在系统的逻辑设计中，其于FPGA模块化的设计思想，将其划分为A/D控制器、累加平均器、数据控制模块、DDR SDRAM控制器、USB接口控制器、FIFO缓冲模块、PLL模块这七个模块，分别用Verilog HDL实现它们的功能，利用Mentor公司的ModelSim软件验证它们功能的正确性。该系统实现了高速传输、实时处理和抑制噪声、改善SNR的目标，达到了设计的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景与意义
• 1.2 国内外研究情况与发展趋势
• 1.3 论文的主要研究内容
• 2 数据采集系统的总体设计方案
• 2.1 数据采集系统的框架
• 2.2 关键技术
• 2.3 总体设计方案
• 2.4 本章小结
• 3 基于 MATLAB 的数字平均式算法仿真
• 3.1 MATLAB GUI 简介
• 3.2 算法实现思路
• 3.3 算法仿真的图形用户界面
• 3.4 仿真结果与分析讨论
• 3.5 本章小结
• 4 采集系统的硬件设计
• 4.1 前端采集部分设计
• 4.2 存储电路设计
• 4.3 FPGA 控制电路及配置电路设计
• 4.4 USB 接口电路设计
• 4.5 时钟电路设计
• 4.6 电源电路设计
• 4.7 系统 PCB 设计
• 4.8 本章小结
• 5 采集系统的逻辑设计
• 5.1 FPGA 开发环境和 FSM 设计
• 5.2 采集系统的逻辑设计方案
• 5.3 AD 控制模块
• 5.4 累加平均器模块
• 5.5 DDR SDRAM 控制模块
• 5.6 USB 接口控制模块
• 5.7 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献