基于FPGA的高速数据采集系统实现
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了基于FPGA的高速数据采集系统实现相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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目录
一、理论基础
高速数据采集在军用民用领域都有着广泛的应用。高速数据采集系统在自动控制、电气测量、地质物探、航空航天等工程实践中有着极为广泛的应用。如何对高速的信号进行实时采集、实时存储，保证信号不丢失，以满足工业现场的需要，一直是高速数据采集系统研究的一个重要方向。数据采集系统是信号与信息处理系统中不可缺少的重要组成部分，同时也是软件无线电系统中的核心模块。
高速数据采集系统主要包括以下几个部分：模拟信号调理电路、模数转换器、数据处理器件、数据存储器件、时钟电路、触发电路、传输接口芯片和电源系统等，如图1所示。
图1 高速数据采集系统结构图
其中，模拟信号调理电路是用来将模拟信号放大调整到ADC的采样量程之内，这样既能充分发挥ADC的性能，又能保证采样数据的完整性；ADC是高速数据采集系统的核心器件，模拟信号输入，数字信号输出；数据处理器件有很多种，可以根据实际的不同需要进行选择；数据存储器件主要用于存储数据，可以进行显示，回放和数据处理等操作；时钟电路是比较重要的，时钟的稳定性和精确性决定着数据采集的结果，所以一般的做法是单独设计稳定的时钟电路；触发电路实现外部对数据采集频率和次数的控制，传输接口用于将数据传输给计算机进行后处理。
采用单路高速A/D转换器以及存储器构成串行采集系统系统框图如图2所示:
图2 单路高速数据采集框图
采用单路高速AD转换器和高速存储电路来构成字串行采集系统，系统的采样就属于实时采样，适用于任何形式的信号波形，重复的或不重复的，单次的或连续的。又由于所有采样点是以时间为顺序，因而易于实现波形显示功能。但是采用单片高速A/D芯片和高速存储器件，会大大提高系统开发成本。同时系统的采样率就受到A/D转换器最高转换速率以及存储器写入速度的限制。因此，单通道数据采集系统的采集速度受器件自身参数的限制，很难再大幅度提高其转换速度。
二、核心程序
其整体结构如下所示：
2.1锁存器模块
系统工作的时候要对数据进行锁存，然后进行传输，通常这样做可以使系统更加稳定的工作，其工作原理比较简单，实现代码如下所示：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity dlatch8 is
port(
cp: in std_logic;
d: in std_logic_vector(7 downto 0);
q: out std_logic_vector(7 downto 0)
);
end dlatch8;
architecture one of dlatch8 is
begin
process(cp,d)
begin
if(cp='1') then
q<=d;
end if;
end process;
end;2.2双口地址计数器模块
地址计数器用来给RAM存储器产生地址信号。由RAM的写入时钟来控制，每当时钟上升沿到来一次，地址计数器就自动加1，直到进行至RAM的底部，表示此时RAM已经写满。下面给出由VHDL语言实现的地址计数器部分源代码。
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
entity addrcount is
port(
clr:in std_logic;
clk:in std_logic;
eoc: out std_logic;
q: buffer std_logic_vector(6 downto 0)
);
end;
architecture beha of addrcount is
begin
process(clr,clk)
begin
if(clk'event and clk='1') then
if clr='0'then
q<="0000000";
elsif(q="1111111")then
q<="1111111";
else
q<=q+1;
end if;
end if;
end process;
process(q)
begin
if(q="1111111") then
eoc<='0';
else
eoc<='1';
end if;
end process;
end beha;2.3双口RAM模块
对于高速数据接收，一般发送端和接收端的时钟是异步的，这就涉及到异步时钟域数据的传输的问题，此外在不同时钟控制的时钟域中传递数据时，了避免发生亚稳态和产生毛刺，应该做好异步时钟域之间的隔离处理。通常，可采用DPRAM以数据缓冲的形式来作为异步时钟域之间的隔离接口。
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
LIBRARY altera_mf;
USE altera_mf.all;
ENTITY lpm_ram_dp IS
PORT
(
clock : IN STD_LOGIC ;
data : IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
rdaddress : IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
wraddress : IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
wren : IN STD_LOGIC := '1';
q : OUT STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0)
);
END lpm_ram_dp;
ARCHITECTURE SYN OF lpm_ram_dp IS
SIGNAL sub_wire0 : STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
COMPONENT altsyncram
GENERIC (
address_aclr_a : STRING;
address_aclr_b : STRING;
address_reg_b : STRING;
indata_aclr_a : STRING;
intended_device_family : STRING;
lpm_type : STRING;
numwords_a : NATURAL;
numwords_b : NATURAL;
operation_mode : STRING;
outdata_aclr_b : STRING;
outdata_reg_b : STRING;
power_up_uninitialized : STRING;
read_during_write_mode_mixed_ports : STRING;
widthad_a : NATURAL;
widthad_b : NATURAL;
width_a : NATURAL;
width_b : NATURAL;
width_byteena_a : NATURAL;
wrcontrol_aclr_a : STRING
);
PORT (
wren_a : IN STD_LOGIC ;
clock0 : IN STD_LOGIC ;
address_a : IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
address_b : IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
q_b : OUT STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
data_a : IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0)
);
END COMPONENT;
BEGIN
q <= sub_wire0(7 DOWNTO 0);
altsyncram_component : altsyncram
GENERIC MAP (
address_aclr_a => "NONE",
address_aclr_b => "NONE",
address_reg_b => "CLOCK0",
indata_aclr_a => "NONE",
intended_device_family => "Cyclone",
lpm_type => "altsyncram",
numwords_a => 256,
numwords_b => 256,
operation_mode => "DUAL_PORT",
outdata_aclr_b => "NONE",
outdata_reg_b => "CLOCK0",
power_up_uninitialized => "FALSE",
read_during_write_mode_mixed_ports => "DONT_CARE",
widthad_a => 8,
widthad_b => 8,
width_a => 8,
width_b => 8,
width_byteena_a => 1,
wrcontrol_aclr_a => "NONE"
)
PORT MAP (
wren_a => wren,
clock0 => clock,
address_a => wraddress,
address_b => rdaddress,
data_a => data,
q_b => sub_wire0 ); END SYN;
2.4时钟分频模块
一般在高速系统中，时钟的生产有两种方法实现，PLL锁相环法和计数器分频法。下面我们对两种方法做简单的介绍。
计数器分频器的设计比较简单，其主要通过计数器来控制时钟发现跳板的周期，这里我们对其工作原理就不做介绍了。本系统由于使用的分频器比较简单，因此在这个系统中，我们将实用计数器分频器来设计时钟。
其实现的VHDL代码如下所示：
LIBRARY IEEE;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity fredivid is
port(
clkin:in std_logic;
clkout: out std_logic
);
end fredivid;
architecture one of fredivid is
signal q:std_logic_vector(1 downto 0);
begin
process(clkin)
begin
if(clkin'event and clkin='1')then
if(q="11")then
q<="00";
else
q<=q+1;
end if;
end if;
end process;
process(q)
begin
if(q(1)='1') then
clkout<='1';
else
clkout<='0';
end if;
end process; end;三、测试结果
最后，对于设计完成的系统，我们得对其资源做分析。本系统其资源实用情况如所示：
图1 资源使用分析
本系统，我们共实用逻辑单元2048个。
图2 时序分析报表
其中tsu，tco，tpd，th分别为7.098ns，14.272ns，9.109ns，0.227ns。后面的输入信号频率基本在200M左右，达到高速传输的要求。
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以上是关于基于FPGA的高速数据采集系统实现的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章