一种基于 FPGA +AD7609的数据采集系统
2018-07-09
1 背景知识
随着信息技术的发展，特别是各种数字处理器处理速度的提高，人们对数据采集系统的要求越来越高，特别是在一些需要在极短时间内完成大量数据采集的场合，对数据采集系统的速度提出了非常高的要求。
为了实现高速、连续采样的数据采集系统，本文介绍了一种基于 FPGA +AD7609的数据采集系统的构成及技术实现。采用 FPGA 作为主模块，AD7609为数据采集模块，并设计了硬件实现电路。
实验测试结果表明，系统结构灵活，性价比高，数据采集能力强，各项指标均达到了设计要求，具有广泛的实用性。
2 数据采集系统的实现
2.1 系统硬件设计
2.1.1 主控模块FPGA
在本设计中，FPGA主控模块使用Xilinx公司的Spartan-6产品，型号为XC6SLX9-2FTG256C。设计中使用了该系列的黑金FPGA开发板，有效地提高了开发设计进度。开发板系统结构图如下图1所示。
图 1 开发板系统结构图
FPGA模块为整个系统的核心控制部分，使用硬件描述语言Verilog HDL对FPGA进行程序设计，以实现系统的整体功能要求。
2.1.2 数据采集模块AD7609
AD7609是一款18位、8通道、真差分、同步采样模数数据采集系统（DAS），该器件内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、18位电荷再分配逐次逼近型模数转换器（ADC）、灵活的数字滤波器、2.5 V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。其功能框图如图2所示。
图 2 AD7609功能框图
AD7609采用5 V单电源供电，可以处理±10 V和±5 V真双极性差分输入信号，同时所有通道均能以高达200kSPS的吞吐速率采样。
在此次设计中，将AD的工作方式设置为串行数据采集模式，采样率设为最高速率200kSPS，参考电压为内部基准模式，设计的电路原理图如下图3所示。
图 3 AD7609原理图设计
AD7609的控制端口，连接到FPGA控制模块，通过Verilog程序进行数据的采集和控制。
2.1.3 硬件电路的实现
本设计中，使用Cadence软件设计了AD采集电路，进行了实物焊接和验证。其印制板PCB电路图如下图4所示。
图 4 印制板PCB电路图
焊接完成，并调试成功的实物图如下图5所示。
图 5 前端实物电路图
其中AD7609的控制引脚，通过排线与FPGA的IO口连接，被采集信号，从右边的CH1和2端口输入。
2.2 系统程序设计
2.2.1 程序流程设计
本设计中，将AD7609的工作方式配置为串行模式，采样率200kSPS，对应的串行模式采样时序如下图6所示。
图 6 串行模式的采样时序图
通过FPGA设计AD采集转换程序，根据AD7609采样要求与工作特性，设计了如下图7所示的AD采样流程图。
图 7 AD7609采样流程图
2.2.2 AD7609程序设计
AD7609能同时满足8通道的200kSPS采样，在本设计中，对通道CH1和CH2进行程序控制和设计。模块接口源程序如下图所示。
图 8 AD7609模块接口程序
AD7609采集控制流程源程序如下图9所示。
图 9 AD7609采集控制流程程序
综合该模块后的RTL电路图如下图10所示。
图 10 AD7609模块的RTL图
2.2.3 仿真验证
采用ISE14.7内部的仿真软件进行仿真验证，核心测试源程序如下图11所示。
图 11 仿真测试源程序
对用的仿真结果如下图12所示，可见完整地实现了对AD7609的功能控制。
图 12 程序仿真验证结果
2.2.4 实测验证
首先在工作区中配置ChipScope在线调试软件，添加需要观测的数据。然后，通过该调试软件，将程序下载到主控模块的FPGA中。
使用ChipScope在线调试软件抓取实时数据，验证硬件模块的正确性，得到如下图13所示的AD7609数据采样结果。
图 13 实物数据采样结果
本设计中，AD7609的数值转换的计算公式如下图14所示。
图 14 AD7609数值转换公式
对应图13中的数据计算过程为：（6Af6）H = （27382）D，采样得到的数值V=27382*10/131072 = 2.08908V，与实际输入电压一致。
3 结语
经过实验测试和计算，充分验证了本系统设计的合理性和有效性。实验数据表明，该数据采集系统运行稳定可靠，实现了对高速数据的连续采样。