【正文】 1 引言 數(shù)據(jù)采集是獲取信息的基本手段。數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，是以傳感器、信號(hào)測(cè)量與處理、微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用型技術(shù)。數(shù)據(jù)采集作為現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的基礎(chǔ)，己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究的諸多領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以得到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、電壓、電流等技術(shù)參數(shù)，所得結(jié)果可以反饋給用戶和控制系統(tǒng)，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息；在科學(xué)研究方面，數(shù)據(jù)采集可以提供大量的現(xiàn)場(chǎng)信息，成為探索科學(xué)奧秘的重要手 段 [1]。 如何對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，保證信號(hào)不丟失，以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要，一直是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究的一個(gè)重要方向。國(guó)外方面 [2][3][4]，隨著國(guó)外微電子技術(shù)、計(jì)數(shù)機(jī)技術(shù)、測(cè)控技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)外數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)較初期有了很大的發(fā)展。從近來國(guó)外公司展示的新產(chǎn)品可以看出，主要的發(fā)展可以概括為功能多樣，體積減小和使用方便等三個(gè)方面。國(guó)外在研制和使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面發(fā)展迅速，基于 MedWin技術(shù)的數(shù)據(jù)采集器也發(fā)展較深，在體積和性能具有很大優(yōu)勢(shì)得采集器多以 FPGA為平臺(tái)，但價(jià)格相對(duì)來說就 不具有競(jìng)爭(zhēng)力。成本較低的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多以單片機(jī)為主芯片，但是在性能和速度方面就不具有優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)外的數(shù)據(jù)采集方面的研究主要著重于傳感器，高精度、高速度的傳感器層出不窮而且在價(jià)格上有了很大進(jìn)步。比如美國(guó)尼高力儀器技術(shù)公司 08年生產(chǎn)的 2700型 數(shù)據(jù)采集器，完美地將數(shù)據(jù)記錄儀、程控開關(guān)與數(shù)字表的優(yōu)勢(shì)集于一身，是一 款高精度、多功能、使用方便的多路數(shù)據(jù)采集器。同年惠普公司生產(chǎn)的 HP34970A 型數(shù)據(jù)采集器具有 6／ 12位分辨率， 0． 004％基本直流精確度和高達(dá) 250通道／秒的掃描率，非易失性存儲(chǔ)器可保存多達(dá) 50000個(gè)帶有時(shí)間標(biāo)記的讀書，可測(cè)包括直流 電壓、交流電壓等等數(shù)據(jù)。雖然這些數(shù)據(jù)采集器的功能無比強(qiáng)大，但是成本都較昂貴。 國(guó)內(nèi)方面 [5][6][7]，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)采集器與目前國(guó)外數(shù)據(jù)采集器相比，在技術(shù)上仍然存 在著一定的差距，主要表現(xiàn)在：①由于受國(guó)內(nèi)振動(dòng)等傳感器水平的限制，分析頻率范圍不寬，在工業(yè)方面給一些低速的機(jī)器或軸承的診斷等帶來了一定的困難；②由于數(shù)據(jù)采集器的內(nèi)存不大，數(shù)據(jù)采集器本身的信號(hào)處理功能不強(qiáng)，在現(xiàn)場(chǎng)只能做一些簡(jiǎn)單診斷，精密診斷需要離線到計(jì)算機(jī)上去做，現(xiàn)場(chǎng)精密診斷功能較弱； ○ 3 設(shè)備的軟件水平，仍在設(shè)備維修管理和基本頻譜分析上徘徊，機(jī)器故障診斷專家系統(tǒng)還需完善，軟件人機(jī)界面有待改進(jìn)④設(shè)備的性能與成本的協(xié)調(diào)還缺乏一定的優(yōu)勢(shì)。近年來，發(fā)達(dá)國(guó)家在研制和使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面發(fā)展較為迅速，儀器的性能先進(jìn)，使用范圍廣，且 2 耐用可靠，但價(jià)格較為昂貴，在測(cè)量功能、測(cè)量通道和數(shù)據(jù)齊全等方面存在不同程度的缺陷。例如北京凱文斯系統(tǒng)集成有限責(zé)任公司 E16系列 EPP并口寬動(dòng)態(tài)范圍的高精度數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)通道最大可以達(dá)到 16個(gè)，采樣最高頻率決定于微機(jī)的 CPU及處理速度，一 般為 60． 80KHz。北京測(cè)振 儀器廠 2020年研制的 Hz． 9609數(shù)據(jù)采集器／振動(dòng)分析 儀，它采用中文顯示，直觀醒目，操作簡(jiǎn)單方便；采用先進(jìn)的微電腦技術(shù)，工作可靠；采用頻譜分析技術(shù)和故障診斷技術(shù)，是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、完成設(shè)備狀態(tài)分析和故障診斷的得力助手。它可以與微機(jī)通訊，建立設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，可測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的加速度、速度和位移，還可測(cè)量電壓信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，采樣頻率為 1Hz到 10KHz。在經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集行業(yè)產(chǎn)品的性能、價(jià)格和功能了解，其大概情況是，國(guó)外的數(shù)據(jù)采集器的精度高，速度快，功能強(qiáng)大，但是價(jià)格比較昂貴，并且一般來說體積都比較大 ，操作也復(fù)雜，可再編程能力比較弱。而國(guó)內(nèi)的采集器雖然價(jià)格低，但是在性能上還有上升的空間，所以在我國(guó)現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，融合更為先進(jìn)的技術(shù)、工藝，制造出性價(jià)比更高，可再編程能力高，小巧而又實(shí)用的的測(cè)量?jī)x器不失為儀器開發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。 論文的組織結(jié)構(gòu)包括： 引言，介紹了課題背景，課題研究的目的和意義，并對(duì)現(xiàn)階段此研究的情況進(jìn)行了分析。 第 1章系統(tǒng)分析及方案設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析，并介紹了整體設(shè)計(jì)方案的制定以及可靠性的設(shè)計(jì)和分析。 第 2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括各部分接口設(shè)計(jì)以及 PCB設(shè)計(jì)。 第 3章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)， 即針對(duì)各模塊的 VHDL編程。 第 4章仿真與調(diào)試，針對(duì)已設(shè)計(jì)的工程，通過仿真器進(jìn)行仿真調(diào)試。 第 5章系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)結(jié)果，分析了采集結(jié)果并討論了采集結(jié)果是否符合要求。 第 6章總結(jié)與展望，對(duì)本次論文進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)本次研究的不足進(jìn)行了總結(jié)。 3 1. 系統(tǒng)分析及方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)主要目標(biāo)是采集系統(tǒng)內(nèi)、外的數(shù)據(jù)，并加以處理顯示。對(duì)于數(shù)據(jù)采集的對(duì)象則選取了系統(tǒng)內(nèi)部電壓值與外部溫度值。之所以選擇溫度與電壓，是因?yàn)閮烧呔哂泻軓?qiáng)的代表性。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，溫度和電壓也是非常重要的監(jiān)測(cè)對(duì)象，有很強(qiáng)的實(shí)用 性 。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體目標(biāo)如下： 1. 有較好的人機(jī)顯示控制界面。 2. FPGA 能對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 3. 能對(duì)讀取的開關(guān)量進(jìn)行相關(guān)顯示。 4. 能實(shí)現(xiàn) LED 燈不同的頻閃。 5. 能與上位機(jī)進(jìn)行通信。 6. FPGA 通過 I2C 總線能對(duì) AD7416 進(jìn)行模擬量的數(shù)據(jù)采集。 7. 能將采樣得到的數(shù)據(jù)送往 LCD 顯示。 完整的數(shù)據(jù)采集過程通常由數(shù)據(jù)的通道選擇、采樣、處理、顯示構(gòu)成，有時(shí)也要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼Ｆ渲?，控制模塊起到了核心作用，他作為控制信號(hào)產(chǎn)生和處理的中樞對(duì)這些外圍電路進(jìn)行著實(shí)時(shí)的監(jiān)控和管理。設(shè)計(jì)過程 中采用 FPGA作為控制器，完成對(duì) A／ D轉(zhuǎn)換器的控制，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一定的存儲(chǔ)單元，通過串口在 LCD12232上顯示。具體涉及的外圍電路中，電壓采集部分主要應(yīng)用 ADC0809作為數(shù)據(jù)采集芯片，對(duì)輸入的模擬量進(jìn)行 A／ D轉(zhuǎn)換；溫度采集部分主要由 AD7416作為數(shù)據(jù)采集芯片。數(shù)據(jù)處理部分則通過硬件設(shè)計(jì)來完成；按鍵控制部分利用 4個(gè)按鍵來控制080 AD7416轉(zhuǎn)換通道選擇；圖形顯示部分輸出當(dāng)前采集到的電壓、溫度值。 之所以選擇 FPGA來完成此工作，原因如下： FPGA生成的硬件系統(tǒng)是基于并行方式運(yùn)行的，在同一 個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以進(jìn)行多個(gè)操作，因此同一項(xiàng)功能由 FPGA實(shí)現(xiàn)將比用微控制器實(shí)現(xiàn)運(yùn)行速度快很多。 FPGA可以實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的特殊功能邏輯，減小了部件數(shù)量，縮短了開發(fā)周期，并且在 FPGA中可以實(shí)現(xiàn)比微處理器更為復(fù)雜的邏輯功能，很多算法可以很容易地在 FPGA中實(shí)現(xiàn)。其次， FPGA在體積方面有更高的優(yōu)勢(shì)，其可以同時(shí)達(dá)到體積小，引腳多即可以控制的信號(hào)路數(shù)多的要求。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步， FPGA的產(chǎn)品不僅性價(jià)比高，同時(shí)可以在較惡劣的環(huán)境下完成其他數(shù)字器件所不能完成的任務(wù)。因此，盡管在與上位機(jī)通訊、串口通訊上稍顯繁瑣（相比于 單片機(jī)），我們?nèi)赃x用 FPGA來完成設(shè)計(jì)。介于成本的考慮，我們采用低成本的 EPM1270144來完成本次設(shè)計(jì)。 4 溫度采集芯片 AD7416[8]是有 8 個(gè)管腳的溫度監(jiān)測(cè)器。該溫度監(jiān)測(cè)器可通過多路復(fù)用器的 0 通道進(jìn)行訪問。片上寄存器可編程控制極限溫度，當(dāng)溫度超過極限時(shí)漏極開路溫度過熱指示器（ OTI）處于工作狀態(tài)。 AD7416 是 10 位， 5 通道的 ADC，采集精度為 ℃ 。其片上溫度傳感器可用 ～ 電壓供電。該裝置包含一個(gè)約 15μ s的轉(zhuǎn)換器， 5 通道多路復(fù)用器，溫度傳感器，時(shí)鐘振蕩器，跟蹤 保持器和一個(gè) 的參考電壓。其數(shù)據(jù)傳輸采用 I2C 通信協(xié)議。 LCD12232[9]是一直由 SED1520 控制的， 122*32 點(diǎn)液晶顯示屏。 具有低功耗、供應(yīng)電壓范圍寬等特點(diǎn)。具有 16mon 和 61segment 輸出，并可外接驅(qū)動(dòng) IC 擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)方式為 1/32duty，驅(qū)動(dòng)電壓 ~13V。具有與 68 系列或 80 系列相適配的 MPU接口功能，并有專用的指令集，可完成文本顯示或圖形顯示的功能。 ADC080 RS232 在此不做贅述 。圖 為系統(tǒng)框圖。 圖 系統(tǒng)整體框圖 在軟件設(shè)計(jì)方面， FPGA 開發(fā) 的主流語言為 VHDL 和 Verilog HDL 兩種語言， VHDL發(fā)展的比較早，語法要求比較嚴(yán)格，而 Verilog HDL 則是在 C 語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，語法要求相對(duì)比較松。經(jīng)過兩種設(shè)計(jì)語言的比較，在此選擇利用 VHDL 語言來編寫 FPGA 模塊。上位機(jī)接收和控制界面的軟件應(yīng)用的是已有的串口調(diào)試軟件。 本章主要討論了系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)，及系統(tǒng)目標(biāo)的設(shè)定。包括了設(shè)計(jì)系統(tǒng)目標(biāo)和系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)和器件選擇兩個(gè)部分。確定了設(shè)計(jì)方案并選擇了合適的器件。 PC 機(jī) FPGA AD7416 鍵盤 ADC0809 顯示 顯示 串行通信 I2C 通信 RS232 5 2. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) FPGA 接口電路設(shè)計(jì) 從 第一節(jié)我們可以知道， FPGA 的任務(wù)是采集溫度，電壓，與上位機(jī)通訊，并將采集獲得的數(shù)據(jù)送往 LCD12232。 (1) 與溫度采集芯片接口設(shè)計(jì) AD7416 是 ADI 公司生產(chǎn)的 8 腳溫度監(jiān)測(cè)器。體積小，精度高，成本低。它采用I2C 通信協(xié)議，采用單通道模擬輸入，一路數(shù)字輸出。其管腳結(jié)構(gòu)圖如下： 圖 AD7416 管腳結(jié)構(gòu)圖 表 給出了 AD7416 的管腳說明。圖 為 FPGA 與 AD7416 的接口電路。 管腳號(hào) 名稱 說明 1 SDA 數(shù)字 I/O。雙向數(shù)據(jù)串行總線。 2 SCL 數(shù)字輸入。串行總線時(shí) 鐘。 3 OTI 邏輯輸出。當(dāng)通道 0（溫度傳感器）的轉(zhuǎn)換結(jié)果大于溫度過熱寄存器（ OTR）的 8 位數(shù)時(shí)，溫度過熱指示器（ OTI）置位。信號(hào)在連續(xù)讀操作結(jié)束時(shí)重置。漏極開路輸出。 4 GND 跟蹤 保持、比較器和電容 DAC、數(shù)字電路的參考地。 5 A2 數(shù)字輸入。串行總線地址的最高可編程位。 6 A1 數(shù)字輸入。串行總線地址的中間可編程位。 7 A0 數(shù)字輸入。串行總線地址的最低可編程位。 8 VDD 正向供電電壓， ～ 。 表 AD7416 管腳功能說明 需要說明的是， AD7416 的 1 腳 SDA， 2 腳 SCL 是根據(jù) I2C 總線協(xié)議制定的串行總線。 OTI 為系統(tǒng)告警邏輯輸出。 FPGA 在接收由 AD7416 送出的數(shù)據(jù)時(shí)，必須按照 I2C總線協(xié)議的規(guī)定，產(chǎn)生特定的 CLK 信號(hào)（與 SCL 相接）送給 AD7416,然后按照制定的傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。尤其要注意的是，由于 I2C 總線協(xié)議規(guī)定， SDA 雙向數(shù)據(jù)串行總線在一個(gè) SCL 內(nèi)只能傳輸一位數(shù)據(jù)，所以在匹配時(shí)鐘時(shí)要特別注意。 6 圖 AD7416 與 FPGA接口圖 (2) 與 ADC0809 接口設(shè)計(jì) ADC0809 芯片 [10]是非常常用的模數(shù)采集芯片。 0809 是 CMOS 的 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)有八路模擬開關(guān)，可控制 8 各模擬量中的一個(gè)進(jìn)入轉(zhuǎn)換器中。轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100ms，含鎖存控制的 8 路多路開關(guān)，輸出由三態(tài)緩沖器控制，單 5V 供電。其數(shù)據(jù)傳送