基于FPGA的多通道高速数据采集系统简介

数据采集就是将被测量对象的各种参量通过各种传感器元件做适当转换后，再经信号调整、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或储存记录的过程。数据采集系统是一种应用极为广泛的模拟量测量设备，其基本任务是把信号送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同的需要进行相应的计算和处理。它将模拟量采集、转换成数字量后，再经过计算机处理得出所需的数据。

随着电子信息技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过程控制和科学研究等领域中，信息技术正发挥着越来越重要的作用。然而，外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式存在的，要将这些信息送入信息设备中进行处理，就必须先将这些连续的物理量离散化，并进行量化编码，从而使其变成数字量，这个过程就是数据采集。

由于数字硬件的开发和制造技术的发展，数字化处理产生了极大的优越性。数字化处理使处理精度大为提高，并且为处理提供了更大的灵活性，提高了系统的性能；便于对信息进行加密，从而提高信息的安全性；对信息进行信道编码，可以抵御信道干扰和噪声的影响，提高信道质量。在实际应用中，对数字采集系统的主要要求是速度和精度。速度由采样率来反映，而采样率由被采集模拟信号的带宽决定。应用于现代雷达数字信号处理技术和软件无线电技术领域的数据采集系统，其采样率可高达几百MSPS（mega-symbols per second，兆符号/秒）。

一般情况下，采样系统中采用普通MCU（micro-controller unit）就可以完成系统的任务，但是当系统中需要采集的信号量特别多、速度要求比较快时，尤其是当各种信号量、状态量特别多时，仅靠普通MCU的资源就往往难以完成任务。此时，一般只能采用多MCU联机模式，或者是采用其他芯片扩展系统资源来完成系统的任务。管道漏磁内检测系统中要求的高速采样，一般的MCU速度达不到，这样做不仅增加了许多外部电路和系统成本，还大大增加了系统的复杂性，使系统的可靠性大大降低。基于FPGA的多通道高速采样控制单元，利用FPGA的I/O端口多且可以自由编程支配、定义其功能以及速度快的特点，再配以VHDL编写的软件，很好地解决了多通道数据的高速采样控制问题。

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图8-3 多通道高速数据采集单元结构

系统以FPGA作为多通道高速数据采集单元的核心元件，其结构如图8-3所示。以FPGA作为整个多通道高速数据采集单元的控制核心。该控制系统由多通道采集控制单元和数据暂存单元构成，其中多通道采集控制单元产生通道选择信号和A-D采样控制时序；数据暂存单元用来暂时存放采集到的数据且将其传送到数据处理部分。由于FPGA具有丰富的I/O和处理资源，数据采集控制、数据暂存和数据传送操作可以并行进行，从而使系统具有更好的数据处理能力。

系统选用的FPGA为XS2S100-PQ208。XS2S100核心电压为2.5V，I/O电压为3.3V，兼容5V，适应多种接口标准。它有10万个系统门，600个CLB，2700个逻辑单元，38400bit分布式RAM，40K块RAM。