基于FPGA的主从式高速数据采集与传输系统

摘  要： 针对数据采集系统有信号形式多样、实时传输和灵活配置的要求，介绍了一种基于FPGA的数据采集和传输系统，以及系统数字电路的程序设计。该系统以现场可编程逻辑阵列（FPGA）作为数据采集、预处理、组帧和传输的控制核心，通过低速串口接收控制命令，以高速USB接口向控制台发送采集数据帧，设计了数字FIR滤波器滤除采集电路的信号干扰。测试结果表明，直流（DC）信号的平均测量精度为0.293%，交流（AC）信号的平均测量精度为0.642%，通道间相位差小于10°，适用于遥测和数据处理系统。
关键词： 高速； 数据采集；多通道；可配置；FPGA
       随着数字技术的飞速发展和数字系统的广泛应用，模拟信号转换为可处理的数字信号，对采集系统的精度、采样率以及数据速率都有更高的要求。对于大型复杂的设备，其故障检测和诊断同样是一项复杂的工作，采集设备的工作状态及环境变化，对操作者了解设备的工作状态，及时对系统的故障作出判断和处理有积极的意义。FPGA器件具有很高的集成度，丰富的资源，用户可编程，使用方便灵活，设计周期短，因而广泛应用于数字系统中。本文介绍了以FPGA为控制核心的高速数据采集与传输系统，以低速串口传输数据量少的上位机控制指令，通过高速USB接口向上位机传输数据量大的采集数据帧，保证指令和数据传输的可靠性，可提供最多32路采集通道，并可通过上位机界面配置采集通道数量和采集电路增益，FPGA控制器根据约定的控制协议执行操作。系统程序设计以ISE 10.1为平台，使用Verilog HDL语言设计实现。系统针对复杂环境的大型设备的运行监测和故障诊断需求，提供一种可应用远程测控的底层数据采集与传输应用[1-3]。
1  系统硬件结构
　　系统结构如图1所示，系统主要有上位机管理系统、链路管理主控层和通道管理从控制层三个主体部分。上位机管理系统提供人机交互的功能，本文不做详细介绍，系统硬件主体主要由主控层和从控层组成。链路管理主控制层主要实现控制指令解析、数据管理和从控层管理等功能，通道管理从控制层主要功能是通道管理和配置、数据管理和传输。主控层提供3个与从控层通信的差分接口，可支持3块从控层并行工作。
   
       链路管理主控制层由1片Xilinx的FPGA芯片XC3S1500作为控制模块，3组差分芯片对作为主控层与从控层的通信链路，1片RS232和CY7C68013A芯片分别作为控制层与上位机管理系统的下行控制链路和上行数据链路。主控FPGA与采集FPGA是跨印制板连接，使用差分驱动和接收芯片（LVDS391/390）通过屏蔽差分线缆连接，主控层与每个从控层通过1根包含6对差分线的屏蔽线缆连接，上行和下行各3对差分线路，保证板间通信的可靠性。
       从控层由1片Xilinx的XC3S200AN芯片作为控制模块构成母板，每2路采集通道组构成采集子板，以双列直插的方式与母板连接，整体结构并行对称，采集母板提供了4个子板接口，可以8路通道并行工作。从控层结构如图2所示，每一路采集通道由AD8253和AD8250组成的前后两级放大，级联的芯片增益可由从控层FPGA通过软件配置，温度传感器DS18B20实时监控系统本身的工作环境温度。