基于MCU+FPGA组合的高速数据采集系统的设计

【摘要】： 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。 传统的高速数据采集系统，利用单片机和硬件FIFO对信号进行采集，但是这种系统控制单一，且不易于升级。现在有许多采用DSP处理器的高速数据采集系统，但是作为系统控制芯片的DSP，使用起来比较复杂，尤其是其内部的算法。FPGA电路逻辑关系清晰，芯片时延小、速度快，且可用VHDL或Verilog HDL描述其内部逻辑电路，便于修改和升级。如果在高速数据采集系统中采用FPGA控制器，将极大地提高系统的稳定性和可靠性。 文章在对有关应用背景的分析和对当前高速数据采集系统的研究的基础上，选择MCU+FPGA的组合设计方案。采用Cygnal公司的C8051F120单片机控制系统的启动、停止，数据采集的允许，数据传输等；采用Altera公司CycloneⅡ系列的EP2C8Q208C7芯片控制高速数据的缓存和存储点数等。 文章首先对当前国内外高速数据采集系统进行分析和研究，明确了各种高速系统所采用的结构和方式，简要介绍了数据采集的一些基本理论，然后在此基础上，确定了本系统的硬件结构和所要采用的各种集成电路芯片，在具体设计PCB时，充分考虑信号干扰、信号隔离等问题；FPGA是系统的核心部件，是系统设计的关键，文中详细地阐述其内部时序电路的设计过程，并给出了电路原理图和仿真时序图；设计系统软件时，单片机采用语法灵活的C语言来编写，提高了程序的可读性和移植性，数据处理软件采用VB和Delphi混合编程，充分利用两者的优点。文章的最后，介绍了系统调试的过程，验证了本系统基本实现预定的功能。 实践证明，该设计方案取得比较好的效果，运行稳定。