2017畢業(yè)論文-基于FPGA的多路信號采集器設計.doc

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1、內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）題 目：基于FPGA的多路信號采集器設計學生姓名：學 號：0605112306專 業(yè)：測控技術與儀器班 級：測控2006-3班指導教師：49基于FPGA的多路信號采器設計摘 要信號采集器是信號和和控制器之間樞紐，采集信號質量的高低，速度的快慢將嚴重影響到控制質量。然而，自然中的信號各種各樣，環(huán)境復雜，并且控制器對信號的要求亦各不相同，這些都使得信號采集一直以來都是技術難點。本文試圖設計一種多路的基于FPGA的信號采集器。與傳統(tǒng)的數據采集器以單片機或DSP作為控制器相比，FPGA具有集成度高、邏輯實現能力強、速

2、度快、設計靈活性好等眾多優(yōu)點，尤其在并行信號處理能力方面比DSP更具優(yōu)勢。在信號處理領域，經常需要對多路信號進行采集和實時處理，這亦是本文的目標。本文首先介紹了信號采集技術的最新動態(tài)，然后比較傳統(tǒng)的器件提出系統(tǒng)的總體方案設計。在硬件方面，介紹了傳感器、測量通道、FPGA芯片的結構原理和性能。數據處理的軟件設計以Quartus為軟件平臺，采用VHDL作為編程語言和自頂向下的設計思想。本設計大部功能通過軟件仿真得到了方案要求的結果，其中數字通道在實際電路中得到了驗證。 關鍵詞：多路信號采集；FPGA；A/D轉換；VHDLThe Design of Muti-channel Signal Colle

3、ctor based on FPGAAbstractSignal acquisition is the hub between the signal and the controller, The quality of the signal collected and the speed will seriously affect the quality control.But, there are various signal in nature, complex environment, and demanding control of the signal varies, All mak

4、es signal acquisition has been the technical difficulties.This paper attempts to design a multi、FPGA-based signal acquisition device. With traditional data acquisition system to a microcontroller or DSP as a controller, FPGA has high integration, the strong ability to achieve logic,fast and good des

5、ign flexibility and so on. Especially in the parallel signal processing advantages than the DSP. In signal processing, often require multiple signal acquisition and real-time processing, this is also the goal of this articleFirst, this paper introduces the latest data acquisition technology, then ma

6、ke the device more traditional design of the overall system. In terms of hardware, introduced the principle and performance of the structure of sensor, measuring channel, FPGA chip. Data processing design for the software platform Quartus,Use of VHDL as a programming language and top-down design.Mos

7、t functions in the software simulation program requirements on the results obtained, digital channels in the actual circuit which has been verified.Key words: multi-channel signal acquisition；FPGA；A/D converter；VHDL目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第1章 引言11.1 系統(tǒng)設計背景11.1.1 研究目的和意義11.1.2 國內外研究現狀21.2 系統(tǒng)工作原理31.3 課

8、題任務31.4 論文安排4第2章 多路信號采集器的總體設計52.1 系統(tǒng)總體方案52.1.1 系統(tǒng)分析52.1.2 理論知識62.2 系統(tǒng)結構框圖7第3章 硬件設計93.1 控制器93.1.1 FPGA結構原理93.1.2 Altera公司的FLEX10K103.2 傳感器113.2.1 傳感器的分類113.2.2 傳感器的選用原則123.2.3 傳感器選型143.3 測量通道183.3.1 測量通道的選擇183.3.2 調理電路193.3.3多路模擬開關203.3.4 采樣保持器213.3.5 A/D轉換模塊223.4 顯示模塊233.4.1 LCD1602簡介243.4.2 LCD1602

9、主要技術參數和引腳243.5 UART通信模塊253.6 時鐘電路27第4章 軟件設計284.1 編程語言VHDL284.1.1 VHDL簡介284.1.2 開發(fā)軟件Quartus294.2 程序設計304.2.1 系統(tǒng)總程序304.2.2 CD4051地址譯碼程序314.2.2 TLC5510轉換程序314.2.3 LCD1602顯示程序324.2.4 讀DS18B20溫度傳感器344.2.5 與PC機通信程序35第5章 調試及總結385.1 系統(tǒng)調試385.2 總結39參考文獻41附錄 A 系統(tǒng)電路原理圖43附錄 B 模擬開關控制程序44附錄 C 26分頻程序46附錄 D UART通信程序

10、47致 謝48第1章 引言1.1 系統(tǒng)設計背景1.1.1 研究目的和意義（1）數據采集系統(tǒng)是計算機測控系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，是影響測控系統(tǒng)的精度等性能指標的關鍵因素之一，常用數據采集方案是以微處理器為核心控制多個通道的信號采集、預處理、存儲和傳輸，即用軟件實現數據的采集，這在一定程度上局限了數據采集的速度、效率及時序的精確控制。20世紀80年代起步的FPGA(Field Programmable Gate Array)，現場可編程門陣列)技術近年來發(fā)展非常迅速，并廣泛應用于通信、自動控制、儀器儀表、信息處理等諸多領域1。現在的FPGA器件具有高集成度、高時鐘頻率、時序控制精確、編程靈活等明

11、顯優(yōu)于普通微處理器的特點，因此系統(tǒng)如果采用FPGA為核心控制ADC和數據傳輸，這樣可達到預期要求，并簡化外圍電路，降低設計風險，縮短開發(fā)周期2。FPGA的出現是超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術和計算機輔助設計（CAD）技術飛速發(fā)展的結果。FPGA器件集成度高、體積小，具有用戶可編程實現專門應用的功能。它允許電路設計者利用基于計算機的開發(fā)平臺，經過設計輸入、仿真、測試和驗證，實現預期的結果。況且FPGA是近幾年集成電路中發(fā)展最快的產品。隨著可編程邏輯器件的高速發(fā)展，可編程邏輯器件將進一步擴大其領地。據IC Insights的數據顯示，可編程邏輯器件市場從1999年的29億美元增長到2004的56

12、億美元，幾乎翻了一番?？删幊踢壿嬈骷⒗^續(xù)向著更高密度和更大容量方向邁進1。（2）與傳統(tǒng)的數據采集器采用的是基于單片機或者DSP作為控制器， FPGA在抗干擾和速度上有很大優(yōu)勢。其特點如下： 1、FPGA運行速度快。FPGA內部集成鎖項環(huán)，可以把外部時鐘倍頻，核心頻率調到到幾百MHz，而單片機運行速度低的多，尤其在高速場合，單片機無法代替FPGA。2、FPGA管腳多，容易實現大規(guī)模系統(tǒng)。單片機I/O口有限，而FPGA動輒數百I/O，可以方便連接外設。比如一個系統(tǒng)有多路ADC，單片機要進行仔細的資源分配，總線隔離，而FPGA由于豐富的I/O資源，可以很容易用不同I/O連接各外設。3、FPGA內部

13、程序并行運行，有處理更復雜功能的能力。單片機程序是串行執(zhí)行的，執(zhí)行完一條才能執(zhí)行下一條，在處理突發(fā)事件時只能調用有限的中斷資源，而FPGA不同邏輯可以并行執(zhí)行，可以同時處理不同的任務，這就使得FPGA工作更有效率。4、FPGA有大量軟核，可以方便進行二次開發(fā)。FPGA甚至包含單片機和DSP軟核，并且I/O數僅受FPGA自身I/O限制，所以，FPGA又是單片機和DSP的超集，也就是說，單片機和DSP能實現的功能，FPGA一般都能實現。綜上所述，基于FPGA的研究將會是繼單片機后的又一個巨大產業(yè)，自然以FPGA作為處理器也將會有廣闊的前景和重要意義。所以借做多路數據采集器的系統(tǒng)設計的機會，選擇FP

14、GA作為控制器，并借此機會來系統(tǒng)地學習、學好FPGA。1.1.2 國內外研究現狀對于信號采集器，在外圍硬件電路上已經有了非常經典的且固定方案。然而近年來，其控制芯片由原來的單片機發(fā)展到數字處理芯片DSP，嵌入式芯片等速度更高功能更強的芯片。在高性能數據采集系統(tǒng)中,通常采用單片機或DSP（數字信號處理器）作為控制器，控制A/D（模數轉換器）、存儲器和其他外圍電路的工作。然而相對高速且性能能良好的FPGA，則無論是單片機或是DSP都有一些不足。首先，單片機的時鐘頻率偏低，各種功能都要靠軟件的運行來實現，軟件的運行時間在整個的采樣時間中占有很大的比重，因而效率偏低，難以滿足高速數據采集系統(tǒng)的要求。而

15、DSP的運算速度快，擅長處理密集的乘加運算，但完成對外圍的復雜硬件邏輯控制難度很大。以軟件方式控制操作和運算的系統(tǒng)速度顯然無法與純硬件系統(tǒng)相比，因為軟件是通過順序執(zhí)行指令的方式來完成控制和運算步驟的，而用HDL語言描述的系統(tǒng)以并行方式工作的。以對A/D進行數據采樣控制為例，采樣周期包括對A/D工作時序的控制和將每一次獲得的數據存入RAM(或FIFO)中。工作于12MHz晶振頻率的MCS-51系列單片機對A/D控制的采樣頻率為20KHz上下，即約每秒兩萬次。但若用FPGA中設計的狀態(tài)機來完成同樣的工作，如對于具有流水線采樣工作時序的A/D來說，只需兩個狀態(tài)即可完成一次采樣，狀態(tài)間轉換的時間僅為一

16、個時鐘周期，而如果FPGA的工作頻率是100MHz，則采樣頻率可達50MHz。這在算法方面同樣具有巨大的優(yōu)勢。用FPGA實現32階8位FIR濾波器的處理速度為105MSPS時，用DSP芯片實現的濾波器要達到相當速度，則需要指令執(zhí)行速度為3360MIPS。然而目前還沒有如此高速的單處理器的DSP芯片。由此可見，在一些DSP芯片不能滿足數字信號處理要求的場合，可以采用FPGA來完成數字信號處理26。 目前在國際上，以FPGA芯片生產廠商為主的公司在基于FPGA設計信號處理算法的綜合研究方面處于領先地位。而且由于FPGA芯片生產廠商對本廠生產芯片性能上的了解，設計的處理器可以最大限度的發(fā)揮芯片的性能

17、。例如Xilinx公司推出了140MHz時鐘頻率下處理速度達到1us的1024點FFT處理模塊，其采用的是800萬門VirtexII器件實現。Altera公2005司年推出的FFT IP核全面支持該公司的最新器件，使用此IP核計算16位1024點FFT僅需要6.63us。國內外學者在利用FPGA實現信號處理算法方面做了大量的工作，并取得了良好的效益。我國的FPGA技術起步相對較晚，但進入21世紀后,發(fā)展非常迅速。目前不少大學及研究所都使用FPGA芯片設計開發(fā)具有自主知識產權的IP核3。1.2 系統(tǒng)工作原理 根據國際電氣和電子工程師學會IEEE（International Institute f

18、or Electrical and Electronic Engineers）的定義：嵌入式系統(tǒng)是控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置4。本設計系統(tǒng)屬于一個過程控制的嵌入式系統(tǒng)，核心部件即微控制器采用FPGA，主要部件是測量通道和與PC機通信接口部件，基礎部件有時鐘電路和電源供給部分，還有就是顯示可用方案 CRT、LCD、LED。工作原理：系統(tǒng)在軟件的支持下通過FPGA的I/O口產生譯碼地址來控制多路模擬開關按一定的時間周期選通電路出入信號，并用周期更長的時鐘來控制采樣保持器和A/D轉換器，以實現循環(huán)讀入數據并且實時顯示數據（該系統(tǒng)借助LCD），最后通過通用異步收發(fā)器UART（Univ

19、ersal Asynchronous Receiver Transmitter）往PC機實時存入數據，且要求歷史數據可被查詢。1.3 課題任務該數據采集器設計要求的基本性能如下：1）至少能采集三種以上不同傳感器輸出的信號，即溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器；2）調理傳感器輸出信號，使其幅值達到集成芯片能接受的值即15V或420mA；3）實現三通道同步循環(huán)采樣，采樣頻率50HZ500HZ，采樣精度8位；4）用LCD1602實時顯示三路信號；5）利用UART實時存儲采集數據。根據上述性能指標，整個系統(tǒng)的關鍵是控制芯片的設計。本設計所用的FPGA采用外部時鐘源來提供系統(tǒng)工作時鐘，晶振的時鐘頻率為4

20、MHz，在軟件編程的基礎上，對外部時鐘進行分頻產生不同的時鐘信號，來分別控制各外部器件協(xié)調工作。那么采樣保持選用的通用型器件LF398，其響應速度快精度高，A/D轉換器則采用TLC5510高速轉換器為8位輸出，而數字信號則直接讀入FPGA經處理輸出到LCD1602上顯示，并保存到上位機上。課題的主要工作為系統(tǒng)的軟件設計和硬件設計兩部分：軟件設計主要完成模擬信號測量轉換電路的時序控制和FPGA內數據預處理模塊、數據采集模塊、LCD顯示模塊、通信控制器模塊的設計及仿真；硬件部分首先完成模擬信號采集電路和數字電路Protel原理圖繪制，然后根據原理圖選擇合適器件并搭建電路，最后連接傳感器和液晶顯示器

21、下載程序進行調試。1.4 論文安排本論文采用三級目錄格式撰寫，共分為五章。具體內容安排：第1章引言，闡述了選題背景和意義，分析了國內外相關技術的發(fā)展動態(tài)及研究現狀，并對本論文的主要工作進行了介紹。第2章，通過對信號采集和處理中涉及的信號、測量控制通道、通信接口等各部分綜合分析，確定本系統(tǒng)的總體方案，并給出系統(tǒng)總體結構框圖，為后續(xù)設計做準備。第3章，先簡單介紹了FPGA的結構原理、設計技術，并對其選型和性能進行分析。然后詳細介紹了多通道采樣模塊中信號調理電路、A/D轉換電路、輸入輸出接口、顯示模塊，并詳細介紹了所用到的主要器件性能。第4章，先對對系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺和編程語言進行了介紹，后面詳細介紹

22、了程序設計思想和設計流程，且配備了仿真結果。第5章，主要講系統(tǒng)調試，記錄了程序下載和調試的過程及結果，并作了簡單分析。結論部分則是對整個論文的工作成果進行總結，也有設計本課題未完成的遺憾，并提出了進一步的展望。第2章 多路信號采集器的總體設計2.1 系統(tǒng)總體方案2.1.1 系統(tǒng)分析基于FPGA的多路信號采集器系統(tǒng)涉及的內容包括，信號的采集，數據的傳輸，數據的處理和存儲，實時信息的顯示。如前所述系統(tǒng)的工作流程為：首先要對多通道模擬信號進行模數轉換，然后對其進行緩存處理和必要的轉換，最后將處理后的結果傳送到PC機。這需要結合各個模擬傳感器輸出的信號的特點和系統(tǒng)各項指標選擇合適的調理電路、A/D轉換

23、、信號處理器和顯示模塊等。前端模擬部分前人已做了大量的研究工作，技術比較成熟，方案比較固定，本節(jié)重點針對數字部分的方案進行討論。1、信號處理器的選擇在高性能數據采集系統(tǒng)中，傳統(tǒng)方法多采用單片機或DSP(數字信號處理器)作為控制器，控制A/D轉換、存儲器和其他外圍電路的工作。單片機的時鐘頻率較低，各種功能都要靠軟件的運行來實現，軟件運行時間在整個采樣時間中占很大的比例，效率低，難以適應高速數據采集系統(tǒng)的要求。DSP雖然運算速度快，擅長處理密集的乘加運算，但很難完成外圍的復雜硬件邏輯控制5?；趩纹瑱C和DSP設計的數據采集系統(tǒng)都有一定的不足，在高速數據采集方面，FPGA顯示出兩者無法比擬的優(yōu)勢。因

24、為FPGA鐘頻率高，內部時延小，全部控制邏輯由硬件完成，速度快，組成形式靈活，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路;最重要的是FPGA可以采用IP內核技術，通過繼承、共享或購買所需的知識產權內核提高開發(fā)進度。利用EDA工具進行設計、綜合和驗證，加速了設計過程，降低了開發(fā)風險，縮短了開發(fā)周期，效率高，而且更能適應市場。綜合考慮，本設計最終采用單片FPGA作為核心控制與處理芯片，完成信號采集和處理等功能。FPGA的I/O端口多、可在線編程、便于擴展等眾多優(yōu)勢將在本設計中展現。2、傳輸總線接口的選擇傳統(tǒng)的數據采集系統(tǒng)的數據傳輸接口在低速時常采用標準串行口或并行口，高速時一般采用PCI總線接口。它們各自的

25、特點如下：標準串行口或并行口應用開發(fā)比較簡單，即硬件電路和編程簡單但是數據傳輸速率較低；PCI總線數據傳輸速率高，可以達到IGbps，但是硬件設計和驅動開發(fā)難度較大，PCI卡的尺寸面積限制了I/O接口的擴展，不能在筆記本電腦或便攜式PC上安裝，而且驅動程序安裝使用不方便；目前流行的USB2.0傳輸協(xié)議的傳輸速率最高可達480Mbps，而且其接口簡單、便攜、可熱插拔的優(yōu)點然而用硬件描述語言來開發(fā)的難度太大。由于本設計要求的數據傳輸速度不高，考慮到編程的快捷和連接電路的簡單，及其系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經濟。本設計系統(tǒng)采用通用串行通信接口RS-232。2.1.2 理論知識根據系統(tǒng)分析有必要介紹一下關鍵的理論

26、知識，即信息論基礎和采樣理論和采樣方式6。1、信息論基礎。信息論是運用概率論與數理統(tǒng)計的方法研究信息、信息熵、通信系統(tǒng)、數據傳輸、加密學、數據壓縮等問題的應用數學學科。信息與物質和能量息息相關，但又與物質和能量有本質的區(qū)別。信息是具體的，并且可以被人（動物、機器等）所感知、提取、識別，可以被傳遞、存儲、變換、處理、顯示、檢索和利用。信息的傳遞要伴隨能量的傳遞，信息在傳遞過程中的物理表現形式就是信號“0011”。信息技術是指獲取、傳遞、處理和利用信息的技術，是一個綜合性的科學技術體系，它涉及下列許多學科與技術分支：(1) 信息獲取技術：主要涉及到獲取自然信息的技術，包括傳感器技術、測量 技術和存

27、儲技術等。數據采集技術就是信息獲取技術；(2) 信息傳遞技術：包括各種信息的發(fā)送、傳輸、接收、顯示、記錄技術，特別是人機信息交換技術；(3) 信息處理技術：包括各種信息的變換、加工、放大、濾波、提取、壓縮等技術，特別是數字信號處理與人工智能技術；(4) 信息利用技術：包括各種利用信息進行控制、操縱、指揮、管理決策的技術。2、采樣理論和采樣方式。自然界中，需要獲取的信號絕大部分是時間上和幅值上連續(xù)變化的模擬量，而機器能識別的信號是離散的數字量，于是很自然就牽涉到信號的提取和轉換。 采樣定理：設連續(xù)信號 x(t)的頻譜為 W(f)，以采樣間隔 T 采樣將到的離散信號為 X(nT)。如果 x(t)有

28、截止頻率 fc，即當 f=fc時，W(f)=0，且滿足 （2-1）時，離散信號 X(nT)完全能確定連續(xù)信號 x(t)。理論上，只要采樣頻率大于兩倍的截止頻率，采樣信號都能被重構。但在實際數據采集系統(tǒng)中，采樣的頻率一般是幾倍、十幾倍或幾十倍于截止頻率。然而采樣頻率也不能太高，否則對 ADC 采樣速度的要求也越高，同時得到的數據也越多，對計算機的處理能力也要求越高，那么很自然就會增加系統(tǒng)開發(fā)的難度和成本。2.2 系統(tǒng)結構框圖本設計系統(tǒng)的功能是完成同時對三路不同信號的同時采集，為此針對不同的傳感器設計了不同的調理電路，然而考慮到硬件資源的節(jié)省，采用同一個數據傳輸通道實行分時傳送，即用CD4051作

29、為模擬通道的開關，這是一種能實現對8路信號控制的開關，用LF398作為采樣保持器，A/D轉換采用TLC5510高數采樣轉換器件。至于歷史數據的保存，本系統(tǒng)則利用和PC機之間的串口采用UART通訊協(xié)議保存到上位機上，顯示則通過LCD1602來實現。系統(tǒng)的采集信號詳細信息如表2.1所示。表2.1 采集信息列表序號采樣信號名稱性質（開關、模擬）傳感器占用硬件資源1溫度數字量DS18B20占用一個I/O口2壓力模擬量PJT204一個模擬測量輸入口3液位模擬量DX130一個模擬測量輸入口根據上述分析，確定系統(tǒng)方案?；贔PGA的多信號據采集器的系統(tǒng)硬件結構框圖如下圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)結構框圖在圖

30、2.1中，系統(tǒng)的核心部件是控制器（FPGA）、時鐘電路；重要部件是測量通道，包括傳感器及其調理電路、模擬多路開關、采樣保持、A/D轉換模塊，LCD液晶顯示和上位機通信模塊；基礎部件是電源供給電路。1、控制器。在本設計系統(tǒng)中，由于各個部件的時鐘和時序不一，并且還要對采集的數據進行算術運算和邏輯判斷等工作，所以要求控制芯片要有足夠強的運算能力和足夠多的輸入輸出管腳。本設計采用的Altera公司的FLEX10KEPF10K20RC208-4型FPGA芯片。該芯片具有具有上萬邏輯門，一百多個用戶可自定義的引腳，所以結合外部晶振提供的時鐘完全能夠提供精確的時序控制。2、測量通道。隨著科學技術尤其是微電子

31、技術的進步和發(fā)展，傳感器也出現大量的數字型（即把調理和模數轉換集成到一個微小器件上）。所以，對于溫度的采集可選用DS18B20直接連接到控制芯片上作為一個單獨的采集通道。盡管，FPGA的引腳眾多功能強大，完全可以支持多通道同步采集，為了節(jié)約硬件資源，模擬信號的傳輸轉換通道由通用型采樣保持器LF398和高效率的A/D轉換器TLC5510組成。針對不同傳感器對調理電路要求不一樣，本系統(tǒng)也為選擇的壓力和液位傳感器設計調理電路，并將在在后續(xù)的章節(jié)中介紹。3、實時顯示選用LCD1602。在小規(guī)模顯示控制系統(tǒng)中，常用的顯示的器件無外乎LED數碼管和LCD液晶器件。由于本系統(tǒng)中采集的信號不同和精度不等，如選

32、用具有同樣功耗低、體積小、抗干擾強和壽命長的LED顯然要求更多的硬件，電路和編程也將更加復雜。4、在與上位機的通信中該系統(tǒng)用的是通用異步通信（UART），對于本設計來說，實時存儲的數據量不大，所以傳輸速度要求并不高，況且UART接線簡單穩(wěn)定性好，編程也易實現。第3章 硬件設計本章的主要內容是根據前面系統(tǒng)結構框圖展開對各部分電路設計，包括對元器件和設備選型與參數計算。3.1 控制器3.1.1 FPGA結構原理現場可編程門陣列(FPGA)是八十年代中期出現的新型高密度可編程邏輯器件，它是在PAL，GAL，EPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物，隨著工藝技術的發(fā)展與市場的需求，超大規(guī)模、高速、

33、低功耗的新型FPGA/CPLD不斷推陳出新7。簡化的FPGA基本由6部分組成:可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內嵌專用硬核。目前大多數FPGA的I/O單元被設計為可編程式，即通過軟件的靈活設置，可以匹配不同的電氣標準與I/O物理特性?；究删幊踢壿媶卧强删幊踢壿嫷闹黧w，可靈活改變其內部連接與配置，完成不同的邏輯功能。FPGA一般是基于SRAM工藝，其基本可編程邏輯單元通常由查找表(Look Up Table, LUT)和寄存器(Register )組成。目前大多數FPGA都有內嵌的塊RAM ( Block RAM )，大大地拓展了應

34、用范圍和使用靈活性?？伸`活的配置為單口RAM ( SinglePort RAM, SPRAM )、雙口RAM (Double Port RAM，DPRAM)、偽雙口RAM ( PseudoDPRAM )，CAM ( Content Addressable Memory)和FIFO ( First In First Out)等常用結構22。布線資源連通FPGA內部所有單元，連線長度和工藝方式決定著信號在線上的驅動能力和傳輸速度。底層嵌入功能單元指那些通用度較高的嵌入功能模塊，比如PLL ( Phase Locked Loop )。 DLL ( Delay Locked Loop )， DSP和C

35、PU等。內嵌專用硬核是相對于前面的“底層嵌入功能單元”而言，不為大多數FPGA所包含的硬核。比如為了提高FPGA性能，適用高速通信總線與接口標準，很多高端FPGA集成了SERDES(串并收發(fā)器)等專用硬核。查找表(Look-Up-Table) 簡稱為LUT，LUT 本質上就是一個RAM。目前FPGA中多使用4輸入的LUT，所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的RAM。當用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路以后，CPLD/FPGA開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有可能結果，并把真值表(即結果)事先寫入RAM，這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內容

36、，然后輸出即可。表3.1 輸入與門的真值表實際邏輯電路LUT的實現方式A,b,c,d輸入邏輯輸出RAM地址RAM中存儲的內容000000000000010000101111111111從表中可以看到，LUT具有和邏輯電路相同的功能。實際上，LUT具有更快的執(zhí)行速度和更大的規(guī)模。由于基于LUT 的FPGA 具有很高的集成度，其器件密度從數萬門到數千萬門不等，可以完成極其復雜的時序與邏輯組合邏輯電路功能，所以適用于高速、高密度的高端數字邏輯電路設計領域。其組成部分主要有可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、內嵌SRAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元、內嵌專用單元等8。3.1.2 Alter

37、a公司的FLEX10KFPGA主要設計和生產廠家有賽靈思、Altera、Lattice、Actel、Atmel 和QuickLogic 等公司。Altera的FLEX10K器件是工業(yè)界首例嵌入式PLD。基于可重配置CMOS SRAM元件，靈活的邏輯元件矩陣結構結合了所有實現常規(guī)門陣列兆功能所需要的特性。由于具有高達250000的門單元，FLEX10K系列提供了密度、速度和集成整個系統(tǒng)。本設計中采用的控制芯片擁有的邏輯門為2萬多個，RAM位數為12288，邏輯列快144個，邏輯單元數1152個，可自定義的引腳189個（總共為208個）其器件結構如圖3.1所示18。圖3.1 FLEX10K器件結構

38、這種FPGA的結構可分為三塊：宏單元（Macrocell）、可編程連線（PIA）和I/O控制塊。宏單元是器件的基本結構，由它來實現基本的邏輯功能；可編程連線負責信號傳遞，連接所有的宏單元；I/O控制塊負責輸入輸出的電氣特性控制，比如可以設定集電極開路輸出，擺率控制，三態(tài)輸出等。INPUT/GCLK1，INPUT/GCLRn，INPUT/OE1，INPUT/OE2是全局時鐘、清零和輸出使能信號，這幾個信號有專用連線與器件中每個宏單元相連，信號到每個宏單元的延時相同并且延時最短21。該器件具有良好的性能特性：高密度低功耗；高速度連接方式靈活；支持多電壓I/O口；多種配置方式（內置JTAG邊界掃描測

39、試電路）；多種封裝形式，TOFP、PQFP、BGA和PLC等。3.2 傳感器3.2.1 傳感器的分類傳感器（transducer / sensor）：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件、轉換元件和轉換電路組成20。組成框圖如圖3.2所示。圖3.2 傳感器組成框圖然而傳感器是一門密集型技術，其原理各種個各樣，它與許多學科有關，種類繁多，分類方法也很多，目前廣泛采用的分類方法有如下幾種。1、根據傳感器工作原理，可分為物理型、化學型、生物型等。物理型傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都

40、將轉換成電信號。化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。2、根據傳感器的用途，可分為溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器、成分傳感器、濕度傳感器、位移傳感器等。3、根據輸出信號，可分為模擬傳感器將被測量的非電學量轉換成模擬電信號；數字傳感器將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)；膺數字傳感器將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)。開關傳感器當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。4、按照其制造工藝，可以將傳感器區(qū)分為集成傳感

41、器，薄膜傳感器，厚膜傳感器陶瓷傳感器。集成傳感器是用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。薄膜傳感器則是通過沉積在介質襯底(基板)上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上；厚膜傳感器是利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是AL203制成的，然后進行熱處理，使厚膜成形；陶瓷傳感器采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產。完成適當的預備性操作之后，已成形的元件在高溫中進行燒結。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種

42、變型。 3.2.2 傳感器的選用原則現代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個非電量的測量時首先要解決的問題。(1) 根據測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型。要進行一個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這要求分析多方面的因素。因為，即使是同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選擇，哪一種原理的傳感器更為合適，需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮下面這些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方法為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法有線或是非接觸測量；還有就是來源，進口還是國產，價錢及是否自行研制9

43、。(2）在考慮上述這些問題后，就能確定選用何種類型的傳感器，然后在考慮傳感器的具體性能指標。如：線性度、靈敏度、遲滯、漂移、頻率響應等。1、線性度：指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離擬合直線的程度。定義為在全量程范圍內實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。通常情況下，傳感器的實際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線；或將與特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直

44、線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。2、靈敏度：通常在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時與被測量變化對應的輸出信號的值才會比較大，有利于信號的處理。但是當傳感器的靈敏度高時，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大而影響測量精度。所以要求傳感器本身應具備較高的信噪比盡量減少從外界引入的干擾信號。當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數。提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。 3、遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小（反行程）變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現

45、象成為遲滯。對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。4、漂移：傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，次現象稱為漂移。產生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身結構參數；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。 5、分辨率：分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨力時，其輸出才會發(fā)生變化。通常傳感器在滿量程范圍內各點的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產生

46、階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標。上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。分辨率與傳感器的穩(wěn)定性有負相相關性，且直接影響精度。6、頻率響應特性：傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有一些延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因而頻率低的傳感器可測信號的頻率低。在動態(tài)測量中，應根據信號特點（穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等）來確定所需傳感器的頻率響應特性，以免產生過大的誤差。還有線性范圍、穩(wěn)定性也得考慮，精度也是傳感器的一個重要的性能指標

47、，選取要能滿足測量要求的精度等級即可9。3.2.3 傳感器選型根據上述分析，采集三路信號的傳感器為，數字型溫度傳感器DS18B20，壓力傳感器PJT204，液位傳感器為DX130。1、數字溫度傳感器DS18B20美國DALLAS公司生產的 DS18B20數字溫度傳感器，具有體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。常見的封裝有3腳、6腳和8腳三種方式，拿3腳舉例說明：DQ為數字信號輸入/輸出端；GND為電源地：UDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。DS18B20主要有四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)裝器TH和TL

48、、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，可看做是該DS18B20的地址序號。64位光刻ROM的排序是：開始8位（28H）是產品類型標號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后的8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC碼）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣可實現一根總線上掛多個DS18B20 。溫度傳感器可完成對溫度的測量，用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以0.0625/LSB形式表達。例如，+125的數字輸出為07D0H，見下表3.2。表3.2 溫度轉換對應表溫度值二進制數據輸出16進制輸出+1250000 0111 1101 0

49、00007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90HDS18B20完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與TH、TL（分

50、別為最高和最低檢測溫度）作比較。若TTH或TTL，則將該器件內的警告標志位置位，并對主機發(fā)出告警搜索命令作出響應。高低溫報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器均由一個字節(jié)的E2PROM組成，使用一個存儲器的功能命令可對TH、TL或配置急寄存器寫入。配置寄存器由R0和R1組成。R1、R0決定溫度轉換的精度位數：R1R0=00時為9位精度，最大轉換時間187.5ms；R1R0=10時為11位精度，最大轉換時間375ms；R1R0=11時為12位精度，最大轉換時間750ms；未編程時默認為12位精度。分辨率設定及用戶設定的報警溫度存儲器在E2PROM中，掉電后仍然保存。高速存儲器是一個9字節(jié)的存儲器，開始

51、兩個字節(jié)包含被測溫度的數字量信息；第35字節(jié)分別是TH、TL、配置寄存器的臨時拷貝，每一次上電復位時被刷新；第6字節(jié)未用，表現為全邏輯1；第7、8字節(jié)位計數剩余值和每度計數值；第9字節(jié)讀出是前面所有8字節(jié)的CRC碼，可用來保證通信正確。DS18B20的測溫原理如圖3.3所示。 圖3.3 DS18B20原理圖低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器1，高溫度系數晶振隨溫度變化時振蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸入。計數器1和溫度寄存器被預置在-55所對應的一個基數值，計數器1對低度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計算。當計數器1的預置值減到0時，

52、溫度寄存器的值將加1，計數器1的預置將重新被裝入，計數器1重新開始對低溫系數晶振產生的脈沖信號進行計數。如此循環(huán)直到計數器2計數到0時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器的數值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中非線性，其輸出用于修正計數器1的預置值。DS18B20正常使用時的測溫分辨率位0.5，若要更高的精度，可采取直接讀取DS18B20內部暫存寄存器的方法，將DS18B20的測溫分辨率提高到0.10.01。要獲得高分辨率的溫度測量結果，首先可用DS18B20提供的讀暫存寄存器指令（BEH）讀出以0.5為分辨率的溫度測量結果，然后切去測量結果中最低有效位（LSB），得到所測實際

53、溫度整數部分“T整數”，然后再用BEH指令讀取計數器1的計數余值（即M剩余）和每度計數值（M每度），考慮到DS18B20測量溫度的整數部分以0.25、0.75為進位界限的關系。由于傳感器的硬件電路連接簡單，導致的直接后過就是編程的復雜，不過以無形的軟件資源換取硬件資源的節(jié)省是一種不錯的節(jié)省之道。2、壓力傳感器PJT204用半導體應變片制作的傳感器稱為壓阻式傳感器，其工作原理是基于半導體的壓阻效應。而半導體繼承了金屬電阻應變片性能穩(wěn)定、精度較高等優(yōu)點，并且在靈敏系數方面大大改善了。壓阻效應：當力作用于硅晶體時，晶體的晶格產生變形,使載流子從一個能谷向另一個能谷散射,引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾

54、動了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發(fā)生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異，因此硅的壓阻效應與晶體的取向有關。硅的壓阻效應不同于金屬應變計（見電阻應變計），前者電阻隨壓力的變化主要取決于電阻率的變化，后者電阻的變化則主要取決于幾何尺寸的變化（應變），而且前者的靈敏度比后者大50100倍。壓阻式傳感器廣泛地應用于航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)學工程、氣象、地質、地震測量等各個領域。所以壓力傳感器就選取佛山市浩捷電子儀器有限公司的PTJ204壓力傳感器變送器。PJT204采用全不銹鋼封焊結構，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質兼容性。廣泛用于工業(yè)設備、石油、水利、化工、醫(yī)療、電

55、力、空調、金剛石壓機、冶金、車輛制動、樓宇供水等壓力測量與控制。量程：01150（Mpa）。綜合精度：0.1FS、0.2FS、0.5FS、1.0FS。輸出信號：420mA（二線制）、05V、15V、010V（三線制）。供電電壓：24DCV（936DCV。介質溫度：-2085。環(huán)境溫度：常溫（-2085）。負載電阻：電流輸出型：最大800；電壓輸出型：大于50K。絕緣電阻：大于2000M（100VDC。密封等級：IP65。長期穩(wěn)定性能：0.1FS年。振動影響：在機械振動頻率20Hz1000Hz內，輸出變化小于0.1FS。電氣接口（信號接口）：四芯屏蔽線、四芯航空接插件、緊線螺母。機械連接（螺紋接

56、口）：12-20UNF、M141.5、M201.5、M221.5等，其它螺紋可依據用戶要求設計。其壓力傳感器種類有：水壓傳感器，水壓測控傳感器，水壓變送器，水壓測控變送器，水壓測控儀器，水管水壓傳感器，水管水壓測控傳感器，水管水壓變送器，水管水壓測控變送器，管道水壓傳感器，管道水壓測控傳感器，管道水壓變送器，管道水壓測控變送器壓力傳感器。3、液位傳感器為DX130西安鼎興自控工程有限公司DX130液位傳感器利用流體靜力學原理測量液位，是壓力傳感器的一項重要應用。采用特種的中間帶有通氣導管的電纜及專門的密封技術，既保證了傳感器的水密性，又使得參考壓力腔與環(huán)境壓力相通，從而保證了測量的高精度和高穩(wěn)

57、定性。主要技術指標：量程01(2，3，4，5，10，100，200)m；零位輸出V03mV；滿量程輸出VFS=100mV25%、VFS=50mV30%、VFS=10mV30%；過載能力150%；供電恒流源：14mA；恒壓：69VDC；線性0.1%FS；重復性0.05%FS；遲滯100M/50V；絕緣強度500M/500V；測壓方式投入式；電氣連接防水密封電纜引線；適用介質與316不銹鋼相兼容的流體；外殼保護IP65；防爆等級ExiallCT5。3.3 測量通道3.3.1 測量通道的選擇由于傳感器輸出的信號是模擬量（數字式的除外），而且很多時候不能直接采集，還需要進行適當的信號調理即調理電路、采

58、樣與保持、A/D轉換器等測量通道，若采用分時輸入還需要模擬多路切換器。由于是多路信號采集，那么采樣保持器和A/D轉換器是共用同一套還是每一路信號一套，所以可分為集中式和分散式9。（1）集中式集中式即采樣保持器和A/D轉換器共用同一組，其結構又可分為同步采集和分時采集。如下圖3.4多路分時采集分時輸入結構，它的優(yōu)點是多路信號共同使用一個S/H和A/D電路，簡化了電路結構，有利于降低成本。但這種結構的對信號的采集會產生時間偏斜誤差對要求嚴格同步的系統(tǒng)不適用。圖3.4 多路分時采集分時輸入結構而如下圖3.5多路同步采集分時輸入結構，能滿足對信號的同步采集。但是保持器總會有些遺漏，使信號衰減，因此它還

59、不能獲得真正的同步。圖3.5 多路同步采集分時輸入結構（2）分散式分散式的特點是每一個S/H和A/D只對本路模擬信號進行數字轉換即數據采集，采集的多路數據同時輸入到FPGA，在FPGA的并行處理過程中實現真正的同步。結構如下圖3.6所示。圖3.6 分散采集式結構結合實際情況，考慮開發(fā)的難易也為了節(jié)省硬件資源，最后測量通道選取多路分時采集分時輸入。以下就將詳細介紹傳輸通道的各個模塊。3.3.2 調理電路調理電路的作用就是把傳感器輸出信號調節(jié)到標準信號即15V或420mA。在一般的測量系統(tǒng)中信號的調理任務比較復雜，除了小信號放大、濾波外，還有諸如零點校驗、線性化處理、溫度補償、誤差修正、量程切換等

60、。這里就詳細說明一下放大電路。由于傳感器熟的信號是mV級的，因此放大電路的放大級數得達到千倍級。下圖3.7的放大電路是根據儀用放大電路原理設計，IC1、IC2、IC3是三個型號為LM324的運算放大器，能實現的放大倍數為：。所以其理論放大至少20倍，通過調節(jié)R1更改放大倍數，調節(jié)R8實現調零。圖3.7 可調放大電路3.3.3多路模擬開關多路模擬開關的主要用途是把多個模擬量參數分時地送入下游電路，完成多到一的轉換。在本系統(tǒng)中由于考慮到信號的路數不是很多，因此就選取CD公司的CD4051單端8通道多路開關，通常其導通或關斷時間在1us左右，能滿足設計要求。CD4051有3個二進制控制輸入端A、B、

61、C 和一個禁止輸入端INH，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流，在系統(tǒng)中均由控制芯片FPGA提供信號。C、B、A得到信號用來選擇8個通道之一被接通。INH=1，即INH=VCC時，所有通道都斷開，禁止模擬量輸入；當INH=0，即INH=VSS時，通道接通，允許模擬量輸入，輸入范圍是VCCVSS。所以用戶可以根據自己的輸入信號范圍和數字控制信號的邏輯電平來選擇VCC，VSS，VEE的電壓值。其允許的這三種電壓的范圍是-0.515V10。CD4051提供了16引線多層陶瓷雙列直插（D）、熔封陶瓷雙列直插（J）、塑料雙列直插（P）和陶瓷片狀載體（C）4 種封裝形式。最初設計推薦工作條件：電源電壓范圍：

62、3V15V；輸入電壓范圍：0VVDD。工作溫度范圍：M類：55125；E 類：4085。極限值：電源電壓：0.5V18V；輸入電壓：0.5VVDD+0.5V；輸入電流：10mA；儲存溫度：65150。4）引腳說明如圖3.8所示。C、B、A：為地址端；IN/OUT：模擬信號輸入輸出端；INH：禁止端；OUT/IN：數字信號公共輸出/輸入端；VCC：正電源；VEE：模擬信號地；VSS：數字信號地。圖3.8 CD4051管腳圖系統(tǒng)電路連接圖詳見附錄A。CD4051模擬通道選通的真值表如表3.3所示。表3.3 CD4051的真值表輸入狀態(tài)接通通道INHCBA8個IN/OUT00000000110010200113010040101501106011171XXX無3.3.4 采樣保持器采樣保持器（Sample/Hold），簡稱S/H，其主要用途是：保持采樣信號不變，以完成A/D的轉換；同時采樣幾個模擬量，以便進行數據處理和測量。本系統(tǒng)采用美國國家半導體公司的LF398，LF398是一種反饋型采樣保持器，也是目前較為流行的通用型采樣保持器10。LF398是由