基于FPGA的高速数据采集系统的研制

论文摘要

随着微电子技术和计算机技术日新月异的发展,对连续模拟信号的数字化处理已经渗透到科研、生产和生活的各个领域,因此数据采集与处理系统的应用日益广泛。在工业生产和科学研究中,对数据采集系统的性能要求越来越高,具备更高采集精度和速度的数据采集系统越来越受到青睐。本文应用现场可编程门阵列高速、高密度和设计灵活的特性,设计了一种基于FPGA的高速数据采集系统,该系统以FPGA作为整个系统的控制、处理核心,完成对AD转换的数据进行存储和传输,最后用USB2.0总线传送给计算机进行处理、分析和显示。FPGA作为系统的核心控制芯片可提高系统稳定性、减小设备体积。论文提出了高速数据采集系统的设计实现方案,分为硬件设计和软件设计两部分。硬件设计主要包括电源电路、FIFO存储模块、AD采样及调理电路和USB接口电路的分析与设计;软件设计包括应用VHDL语言实现FPGA的时序控制和使用LabVIEW设计上位机界面,接收、显示采集的数据信息。其中,VHDL采用自上而下的设计的方法,分模块完成FPGA的逻辑功能。最后将软硬件结合实现系统并进行了系统调试,给出了应用测试实例,其采集速度和精度表明系统符合设计目标。系统体积小、携带方便,可以应用于工业测控、通信、医疗等信号处理领域,具有很高的性价比和较广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 数据采集技术的研究现状
• 1.2.2 数据采集的应用和研究意义
• 1.3 课题研究内容
• 第2章 数据采集与电路设计理论研究
• 2.1 数据采集理论分析
• 2.1.1 数据采集系统的构成
• 2.1.2 奈奎斯特采样定理
• 2.2 信号完整性
• 2.3 电源完整性
• 2.4 本章小结
• 第3章 系统总体设计方案
• 3.1 系统总体方案设计和性能指标
• 3.2 硬件系统
• 3.2.1 现场可编程门阵列
• 3.2.2 数据采集方案
• 3.2.3 USB 通信接口
• 3.3 软件系统
• 3.3.1 硬件描述语言VHDL
• 3.3.2 FPGA 内部原理图
• 3.3.3 LabVIEW 软件应用
• 3.4 本章小结
• 第4章 系统硬件设计
• 4.1 硬件整体设计
• 4.2 信号调理电路
• 4.3 数据转换电路
• 4.3.1 主控芯片的选取
• 4.3.2 数据转换原理图设计
• 4.4 FPGA 设计
• 4.4.1 芯片选取
• 4.4.2 FPGA 原理设计
• 4.4.3 FPGA 配置电路设计
• 4.5 USB 接口电路设计
• 4.6 电源设计
• 4.7 PCB 抗干扰设计
• 4.8 本章小结
• 第5章 系统软件设计
• 5.1 VHDL 设计
• 5.1.1 AD 控制模块设计
• 5.1.2 时钟控制模块
• 5.1.3 FIFO 控制模块
• 5.1.4 USB 接口控制模块设计
• 5.2 68013 固件编程
• 5.3 LabVIEW 设计流程图
• 5.4 系统应用界面设计
• 5.4.1 LabVIEW 驱动非NI 仪器的方法
• 5.4.2 动态链接库的编写及调用
• 5.4.3 程序主界面
• 5.4.4 程序面板的编制
• 5.5 本章小结
• 第6章 系统调试及应用
• 6.1 系统装配与调试
• 6.2 基本实验
• 6.3 系统应用
• 6.3.1 应用系统介绍及实验数据
• 6.3.2 数据计算与分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢