基于FPGA与USB的数据采集系统的研究

论文摘要

随着数字电子技术的飞速发展，数据采集技术（DAQ）已经成为工业生产中十分重要的技术之一，人们对于数据传输的高速性、可靠性、实时性和易操作性的要求也在不断提高。现在，数据采集卡已经应用到了地震、医疗器械、雷达、通信、遥感等多个领域。USB总线技术作为一种新型的总线接口标准，具有传输速度快、即插即用、连接外部设备简单灵活、独立供电等优点而被广泛应用到数据采集系统中。同时，FPGA（现场可编辑门阵列）运行速度快、结构灵活、拥有丰富的I/O资源、开发周期短，非常适合作为控制器。因此利用FPGA与USB相结合来设计开发高速数据采集系统成为一种趋势。本文正是利用了FPGA与USB的以上特点，提出了一种基于FPGA与USB 2.0的数据采集系统的设计方案。首先，介绍了数据采集与处理系统的发展趋势，得出了采用FPGA与USB实现高速数据采集系统的的可行性和必要性，然后简要介绍了数据采集的基本理论知识和相关技术。其次，给出了系统的总体设计框架，对每个部分进行了硬件设计和分析，并在此基础之上给出了相应的原理图。硬件设计主要是包括了FPGA与ADC（模数转换模块）、FPGA与USB芯片之间的接口电路。其中，模数转换芯片采用的是德州仪器公司的TLC5510，并对其引脚功能进行了详细说明；系统的控制器采用的是Altera公司的FPGA芯片（EP2C8Q208C8）；USB接口芯片采用的是Cypress公司的CY7C68013A，简称FX2。再次，根据需要，对系统进行了软件部分的设计，包括FPGA的逻辑设计、USB固件程序编写、USB驱动设计编写以及用户端应用程序设计。最后，对系统进行了软硬件调试，给出了调试结果和文字分析，做出了应用端用户界面。结果表明，符合系统设计要求，从而完成本次研究与设计。系统的基本工作流程是：通过函数信号发生器产生一个输入信号，经过模数转换器（A/D）转换，得到相应的数字信号，然后把这个数字信号直接输送给FPGA控制器，利用FPGA控制器和SDRAM存储电路完成对输出数字信号的存储和处理，通过USB接口总线完成与计算机的数据通信，并将数据显示在计算机上。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 接口模块发展现状
• 1.2.2 控制模块发展现状
• 1.2.3 其他辅助模块发展现状
• 1.3 论文的主要工作及组织结构
• 第2章 系统的理论知识
• 2.1 信号采集基本理论
• 2.1.1 采样定理
• 2.1.2 量化
• 2.1.3 编码
• 2.2 模数转换器（ADC）
• 2.3 FPGA 与 SOPC 技术
• 2.3.1 FPGA 简介
• 2.3.2 FPGA 原理
• 2.3.3 FPGA 的基本结构
• 2.3.4 SOPC 技术介绍
• 2.3.5 SOPC 技术的主要应用
• 2.4 USB 技术概论与发展
• 2.5 本章小结
• 第3章 硬件电路设计
• 3.1 系统的总体设计方案
• 3.2 系统技术指标
• 3.3 模数转换电路
• 3.3.1 ADC 芯片介绍
• 3.3.2 TLC5510 的内部连接
• 3.3.3 TLC5510 的应用电路
• 3.4 USB 电路设计
• 3.4.1 芯片介绍
• 3.4.2 芯片的接口模式
• 3.4.3 芯片的端点缓冲配置
• 3.4.4 USB 接口电路设计
• 3 . 5 F P G A 电 路 设 计
• 3.5.1 芯片选择与介绍
• 3.5.2 FPGA 下载电路
• 3.5.3 时钟电路
• 3.5.4 扩展的 SDRAM 存储器模块
• 3.6 复位电路与电源电路的设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 FPGA 时序逻辑设计
• 4.1.1 硬件描述语言 HDL 概述
• 4.1.2 QuartusⅡ7.2 简介
• 4.1.3 FPGA 的开发流程
• 4.1.4 AD 采样部分的逻辑设计
• 4.1.5 USB 的接口逻辑设计
• 4.2 USB 软件设计
• 4.2.1 固件程序设计
• 4.2.2 驱动程序设计
• 4.2.3 用户端应用程序设计
• 4.3 本章小结
• 第5章 系统调试与测试
• 5.1 USB 与 PC 机的通信传输测试
• 5.2 上位机的波形显示
• 5.3 实物照片
• 5.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果
• 附件A 采集部分的主要源代码
• 附件B 驱动程序中的 INF 文件代码