《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Δ-Σ技術(shù)和FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2011年第6期
張 瑜1， 孟慶楠2,， 楊開宇3,， 高印寒3， 王瑞寶2
1. 長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院,，吉林 長(zhǎng)春 130022; 2. 吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,，吉林 長(zhǎng)春 130026; 3. 吉林大學(xué) 測(cè)試科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，吉林 長(zhǎng)春130022
摘要： 為了改善傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)算能力差,、分辨率低,、可靠性低等缺點(diǎn)，結(jié)合Δ-Σ技術(shù)和FPGA,，設(shè)計(jì)了一種多通道,、高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍的新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。提出了一種由Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換芯片,、高性能FPGA和DSP組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案及其硬件電路實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)利用A/D器件對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,、放大,、差分轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用FPGA設(shè)計(jì)內(nèi)部模塊和時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行電路控制及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存,、數(shù)據(jù)傳遞等功能,，由高速DSP芯片核心控制，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)24位高分辨率,、寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)數(shù)據(jù)采集與高速實(shí)時(shí)處理，可用于電壓,、電流,、溫度等參量的采集系統(tǒng)中。
中圖分類號(hào)： TP368.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B
文章編號(hào)： 0258-7998(2011)06-141-04
Data acquisition system based on Δ-Σ technique and FPGA
Zhang Yu1, Meng Qingnan2, Yang Kaiyu3,， Gao Yinhan3, Wang Ruibao2
1. College of Electronic Information & Engineering,，Changchun University of Science and Technology,，Changchun 130022,China; 2. College of Instrumentation & Electrical Engineering，Jilin University,Changchun,130026 China; 3. Experimental Center of Testing Science ,Jilin University,Changchun,130022 China
Abstract： To improve the processing capacity of traditional data acquisition system,such as operation resolution and reliability, a multi-channel,high-resolution,and wide dynamic range data acquisition system combined with Δ-Σ technique and FPGA was designed. The paper provided a data acquisition system and presented a hardware circuit method composed by a Δ-Σ A/D converter chip,high-performance FPGA and DSP data acquisition system. The system filters,amplifies,differential converts and analog-digital converts the signal by AD device,the FPGA controls circuits,caches and transmits data by using an internal module and clock signal,the high-speed DSP chip was employed to control the system and process the real-time data.The system can fulfill the 24-bit high-resolution,data acquisition of wide dynamic range,and high-speed real-time processing.It can be used as the acquisition system of voltage,current and temperature parameters.
Key words : data acquisition; Δ-Σ technique; FPGA; high-resolution; wide dynamic range


    在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中,，常常需要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)算能力差、分辨率低,、可靠性低,、一致性差，而圖像處理,、瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè),、軟件無線電等一些領(lǐng)域需要技術(shù)指標(biāo)的穩(wěn)定性強(qiáng)，一致性好,，且具備高速度,、抗干擾、高分辨率特點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與處理能力,。隨著24 bit Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的成熟,，一些高性能的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列器件FPGA和Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)合高性能數(shù)字信號(hào)處理器DSP應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，大大提高了系統(tǒng)的采集精度,、分辨率,、動(dòng)態(tài)范圍及穩(wěn)定性。Δ-Σ技術(shù)是:用簡(jiǎn)單換取速度,用高速度代替低速度的組織協(xié)調(diào),；模擬量化部分簡(jiǎn)化,而數(shù)字部分增多,，各量化電路的性能高度一致,抗干擾能力和溫度性能優(yōu)越；丟掉了濾波,、主放,、陷波電路,電路進(jìn)一步簡(jiǎn)化,性能更加穩(wěn)定。在高速數(shù)據(jù)采集方面,，F(xiàn)PGA具有速度快,、效率高的優(yōu)勢(shì)，非常適于大數(shù)據(jù)量的高速傳輸控制,其組成形式靈活,，可以集成外圍控制,、譯碼和接口等各種電路。同時(shí),FPGA控制器是獨(dú)立單元,在電路中能分擔(dān)CPU工作量,不但提高了CPU實(shí)時(shí)處理能力,，而且提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,。本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA選用FLEX10K20芯片,，DSP選用高性能浮點(diǎn)芯片TMS320VC33,，該芯片具有高速、低功耗,、低成本,、易于開發(fā)的特點(diǎn)[1-4],。
1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成
     系統(tǒng)組成框圖如圖1所示,主要由模擬信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路,、FPGA單元,、DSP單元等組成。模擬信號(hào)調(diào)理電路與A/D器件對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,、放大、差分轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換,，利用FPGA設(shè)計(jì)內(nèi)部模塊和時(shí)鐘信號(hào)對(duì)電路進(jìn)行控制及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存,、數(shù)據(jù)傳遞等功能，由高速DSP芯片核心控制,，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)
2.1 模擬信號(hào)調(diào)理電路
　模擬信號(hào)調(diào)理電路包括前置低通檢波電路、程控放大器,、單端信號(hào)轉(zhuǎn)雙端信號(hào)三部分,。該電路在信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器前對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等處理,。前置低通檢波電路主要是對(duì)檢波器的輸出信號(hào)進(jìn)行低通濾波,。程控放大器對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)整。檢波器輸出的信號(hào)是差分雙端信號(hào),，經(jīng)過程控放大器后變?yōu)閱味诵盘?hào),。為提高信號(hào)采集通道的共模抑制比，后續(xù)電路中加入了差分線性放大器將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為雙端信號(hào),，最后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集,。
2.2 A/D 轉(zhuǎn)換的硬件接口電路
　Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理是無需保持電路,對(duì)抗混疊濾波器和量化器的要求低，但對(duì)數(shù)字濾波器要求高,。工作時(shí),，模擬輸入經(jīng)抗混疊濾波器后變?yōu)閹弈M信號(hào)，經(jīng)Δ-Σ調(diào)制器后變?yōu)樾盘?hào)頻譜和噪聲頻譜相分離的高速比特流信號(hào),，然后再經(jīng)數(shù)字濾波器重構(gòu)出奈奎斯特取樣頻率的高分辨率數(shù)字信號(hào)[5],。
　系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換接口電路是由Δ-Σ轉(zhuǎn)換技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換套片CS5372、CS5376和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA通過主控芯片的控制實(shí)現(xiàn),。CS5372,、CS5376是根據(jù)Δ-Σ轉(zhuǎn)換原理共同實(shí)現(xiàn)24 bit Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換的一套芯片，其分辨率能達(dá)到24 bit,，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到124 dB和121 dB,。CS5372可應(yīng)用于雙通道高動(dòng)態(tài)范圍、4階Δ-Σ調(diào)制器,與CS5376數(shù)字濾波器結(jié)合使用,，可構(gòu)成獨(dú)特的24 bit高分辨率A/D測(cè)量系統(tǒng),。A/D轉(zhuǎn)換的硬件接口電路主要是指CS5372,、CS5376與FPGA的硬件連接電路。其連接圖如圖2所示,。

 

 


2.3 FPGA的邏輯設(shè)計(jì)
　FPGA邏輯設(shè)計(jì)主要包括串并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,、串行外圍設(shè)備接口、輸出數(shù)據(jù)的緩存等部分的設(shè)計(jì),。其邏輯框圖如圖3所示[6],。

2.3.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路
    如圖4所示，該電路完成A/D數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換與暫存,。首先將CS5376串行輸出端口輸出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為32 bit并行數(shù)據(jù),，然后利用先進(jìn)先出（FIFO）存儲(chǔ)器對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，CPU可通過中斷或查詢的方式讀取FIFO中的數(shù)據(jù),。

2.3.2 SPI接口轉(zhuǎn)換電路
    如圖5所示,，SPI接口是CPU與A/D之間的接口電路，主要用于CPU對(duì)A/D寄存器進(jìn)行配置,，以及CPU讀取A/D寄存器的值,。SPI電路實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備串行接口的時(shí)序，結(jié)合控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)CS5376的寄存器配置,。

2.4 DSP軟件流程結(jié)構(gòu)
　通過FPGA邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作需要的時(shí)序,，采集數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA,FPGA串并轉(zhuǎn)換并且緩存， DSP實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)并通過串口電路上傳給計(jì)算機(jī),。其軟件流程結(jié)構(gòu)如圖6所示,。

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果
　系統(tǒng)測(cè)試分別采用短路輸入噪聲、500 Hz,、1 000 Hz正弦波測(cè)試,，下面介紹測(cè)試結(jié)果。
3.1 短路輸入噪聲
　在室內(nèi)環(huán)境下,，輸入端短接,，采用1/10 ms的采樣間隔重復(fù)數(shù)次試驗(yàn)，輸入短路噪聲曲線如圖7所示,。由圖7可知,，短路噪聲幅度集中在正負(fù)100 μV之間。
3.2 正弦波測(cè)試
　正弦波測(cè)試中分別對(duì)頻率為500 Hz和1 000 Hz,、幅度為20 mV的正弦波進(jìn)行了測(cè)試,，采用的信號(hào)源為實(shí)驗(yàn)室用的信號(hào)發(fā)生器，采用1/10 ms的采樣間隔重復(fù)數(shù)次試驗(yàn),。各次的測(cè)試曲線以及其FFT 變換曲線如圖8~圖11所示,。由圖可以看出,采集信號(hào)的幅度也為20 mV，與輸入信號(hào)幅度一致。采集的正弦波信號(hào)的幅度,、頻率都與輸入的正弦波信號(hào)的幅度,、頻率相一致，可見數(shù)據(jù)采集工作是正常的,系統(tǒng)采集信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到120 dB,相當(dāng)于20 bit分辨率,?？紤]到系統(tǒng)量化噪聲，220的動(dòng)態(tài)范圍采集的效果也是比較良好的,達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的,。

　為了實(shí)現(xiàn)高速,、高精度、高分辨率,、寬動(dòng)態(tài)范圍和更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集能力,本系統(tǒng)采用Δ-Σ轉(zhuǎn)換技術(shù),、FPGA與高速DSP相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集速度快、一致性好,、高分辨率、動(dòng)態(tài)范圍寬,，且穩(wěn)定性好的特性,，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的要求。在實(shí)際應(yīng)用中,，可用于電壓,、電流、溫度,、頻率等多種參量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,。
參考文獻(xiàn)
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