基于FPGA软核的高速数据采集系统设计

摘  要： 为解决不同性能指标数据采集系统开发时间较长的问题，提出了一种将FPGA软核技术应用于高速数据采集系统设计的方法。系统以Xilinx公司的FPGA为例设计软核，使用VHDL语言对软核进行模块化设计。介绍了数据采集系统的硬件电路、USB固件程序、USB驱动程序以及LabVIEW上位机的设计。该数据采集系统结构可移植性强，有利于缩短同类型系统设计研发周期。
关键词： FPGA；USB；软核；数据采集系统
   　数据采集在现代工业生产及科学研究中的重要地位日益突出，同时对实时采集、实时传输、实时处理的高速数据采集的要求也不断提高。此外，对于不同的场合，数据采集系统的数据采样参数要求也不同。工业生产与科研领域中对数据采集研发提出了以下的要求：(1)接口简单灵活且有较高的数据传输率；(2)采集器体积小、抗干扰能力强、能够对数据做出快速的存储，并及时进行分析和处理；(3)设计周期短，能快速适应市场需求。
USB2.0以其即插即用、支持热插拔的灵活性，以及高达480 Mb/s的传输速率，成为了高速数据传输接口的首选。而FPGA以其工作频率和集成度高、稳定性良好、抗干扰能力强等优点，逐步成为各领域数据采集数字电路的首选。FPGA集成软核有设计周期短、设计投入少等优越性，且不涉及具体的物理实现，可以方便移植到各种FPGA硬件平台，极大提高了它的灵活性和适应性。
1 系统方案与结构
　数据采集系统性能指标修改主要集中在A/D转换模块与FPGA控制模块上，在USB2.0接口的硬件、固件、驱动程序的设计以及PC机应用软件的设计基本没有变化。而A/D转换模块的修改可以通过A/D转换芯片的选择及更改输入信号调理电路设计来实现。但更换不同的A/D转换芯片可能给A/D转换的启停控制、数字信号的缓存等方面带来较多的改动。而FPGA软核的模块化设计可以极大地减少这方面的改动。
　本文以TI公司的低功率高性能A/D转换芯片ADS800为例介绍系统的设计。图1为本数据采集系统的结构框图。模拟信号经过THS4504全差分放大器进行信号差分放大后，输入到ADS800进行A/D转换。为减少不同系统中FPGA软核改动的工作量，FPGA内部按功能设计了三个软核作为系统的控制单元。CY7C68013作为USB控制芯片设置为从属FIFO模式(Slave FIFO Mode)，负责数字信号在采集系统与PC机间的传输；用户通过LabVIEW设计的PC机应用软件，在驱动程序的驱动下与数据采集系统进行命令以及数据的传输，以便对数据采集系统采集到的数据进行实时处理。