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【MATLAB代做|FPGA代做】高速数据采集

时间:2017-6-12 14:11:43 点击:

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1.1 本课题的研究背景

数据采集是获取信息的基本手段,数据采集技术作为信息科学的一个重要分支,与传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术,它研究数据的采集、存储、处理及控制等作业,具有很强的实用性。随着现代电子科学技术的发展,对于单次信号、高速低重复率信号、干扰信号等高速瞬态信号的测量就显的越来越重要,例如在图象处理、卫星遥感、遥测等方面,这些信号都属于高频信号,对于这些信号的测量,低速数据采集系统就显的无能为力,必须采用高速甚至超高速数据采集,才能准确地记录和再现原始信号,以便对其进行分析和处理。从现有的技术和产品来看,低速、低分辨率的数据采集技术已相当成熟,实现起来比较容易,单片ADC即可满足要求,产品的稳定性和可靠性己无庸置疑。而高速数据集技术是信息技术的基础和前沿,目前我国的高速数据采集技术相对比较落后,是我国信息技术的颈瓶,研究和发展该项技术对于我国的军用和民用领域都具有重要的价值广阔的应用前景。

高速数据采集是现在电子信息实时处理系统的重要环节,这是因为在某些情况下,须采用高速数据采集技术才能满足信息处理的实时性与准确性,由于电子技术与计算的飞速发展和普及应用,高速数据采集越来越显示出其重要性。因此,积极研制和开发拥有自主知识产权的、性能优异的、模块化的数据采集产品己是迫在眉睫。本论文结合我们的省留学生基金的“窄脉冲时域反射仪的设计”这个课题,总结数据采集系统及单片机发展趋势的基础上,本着实用、可靠、安全、简洁及经济等设计原则,设计开发了基于FPGA技术的高速数据采集系统。其特点是:在同一次测试中多次启动发射电路将产生一个固定的波形。对该固定波形,采用精确设计采样点,把高速数据采样转换为相应的多次低速采样,并将采集所得波形进行重新拼凑,达到高速数据采集的目的,实现高分辩率数据处理。

1.2 数据采集系统的发展及现状

数据采集技术是信息科学的一个重要分支,它与传感技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础。科学技术的发展己在数据采集的采样速率、分辨率、精度、接口能力及抗干扰能力等方面提出了越来越高的要求。迄今为止,工业上使用的数据采集系统大致可分为四种:

基于通用微型计算机(PC)的数据采集系统。这种系统主要功能是将采集来的信号通过外部的采样和川D转换后的数字信号通过接口电路送入微机内进行处理,然后再显示处理结果或经过DA/转换输出。它主要有以下几个特点

·系统较强的软、硬件支持。通用微型计算机系统所有的软、硬件资源都可以用来持系统进行工作。

·具有自开发能力。系统的软硬件的应用/配置比较小,系统的成本较高,但二次开发时,软硬件扩能力较好。

·在工业环境中运行的可靠性差,对安放的环境要求较高;程序在RAM中运行,

受外界干扰破坏。

基于单片机的数据采集系统。它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集统,是近年来微机技术快速发展的结果,它具有如下特点

·系统不具有自主开发能力。因此,系统的软硬件开发必须借助开发工具。

·系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则,因此系的软硬件应用/配置比接近于1,具有最佳的性价比。系统的软件一般都有应用程序。系统的可靠性好、使用方便。应用程序在ROM中运行不会因外界的干扰而破坏,且上电后系统立即进入用户状态。

基于DSP数字信号微处理器的数据采集系统。DSP数字信号微处理器从理论上而就是一种单片机的形式,常用的数字信号处理芯片有两种类型,一种是专用DSP芯片,种是通用DSP芯片。基于DSP数字信号微处理器的数据采集系统的特点如下:精度高、活性好、可靠性好、容易集成、分时复用等,但同时其价格不菲。

基于混合型计算机采集系统。这是一种近年来随着8位单片机在计算机应用领域迅速发展的一种系统结构形式。它是由通用计算机(PC)与单片机通过标准总线相连而成。单片机及其外围电路构成的部分是专为数据采集等功能的要而配置的,主机则承担数据采集系统的人机对话、大容量的计算、记录、打印、图形示等任务。

随着微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用,不仅为数据采集系统的用开拓了广阔的前景,也对数据采集技术的发展产生了深刻的影响。数据采集系统的展趋势主要表现在以下几个方面

·新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现,大大提高了数据采集系统的性。

·高性能单片机的问世和各种数字信号处理敬的涌现,进一步推动了数据采集系的广泛应用。

·新一代在系统编程技术sIP的推出,必将对今后数据采集系统的发展产生深远的响。

·与微型机配套的数据采集部件的大量问世,大大方便了数据采集系统在各个领里应用并有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。

·分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。

我们设计的基于FPGA的高速数据采集系统具有成本低廉,针对性强,不但硬件设计简单,而且修改硬件如同修改软件一样方便。同时系统采用RS-232通讯接口,可以很方便地和主机连接,可以通过主机进行进一步数据处理。

典型数据采集系统的构成是由A/D+DSP+FPGACPLD+D/A。其中A/D(模数转换器)完成把模拟信号转化为数字信号,DSP(数字信号处理器)用来对A/D采样后的数据进行处理,而FPGA(现场可编程门阵列)或CPLD(复杂可编程逻辑器件)是用来对整个系统进行控制,而D/A(数模转换器)是用来将输出的数字信号转化为模拟信号从而来驱动外部设备。当采样频率很高时,A/D采样后的数据量很大,DSP来不及对采样后的数据进行处理,所以此时一般在A/DDSP之间使用FIFO(First In First Out)或者双口RAM来对采集后的数据进行缓存。如果数据量特别大,有时还要使用外加的SDRAM(同步动态存储器)来对采集后的数据作以保存。同时,采集系统有时需要与外界进行数据交换,所以需要设置一些对外接口,比如,采集卡有时需要与计算机进行数据交换,就可以在采集卡上设计一些PCIISAUSB、串口或并行接口等。

采集卡需要时钟作为基准,所以应该具备时钟电路。当然,还必须提供采集卡工作的必要电源,所以也应该具有电源电路。当系统的工作频率很高时,在低频时不大明显的信号完整性和电磁兼容性问题就会突出地表现出来。所以,此时对PCB的布局和布线应相当严格,通过适当的布局和布线,可以将影响信号完整性的因素降到很低的水平。现在的A/D的采样频率可达GHz的量级,有效位数可达10位以上。对于采样频率较低的A/D,其有效位数可达16位以上。数字信号处理器DSP的时钟频率可达600MHz以上,每秒钟能够进行千万次以上的乘加运算。FPGA的时钟频率也可达到100MHz以上,内部逻辑门数可达500万以上。SDRAM的容量单片可达64MB,并且可以多片级联,能够满足高速缓存的需要。D/A的位数可达18位以上,转换时间可以达到小于1微妙。现在的一些总线,比如PCI总线,传输速率可达132Mbyte/sUSB总线,传输速率可达480Mbit/s,可以满足数据采集卡与其它设备的高速数据传输。所有这些条件,都使数据采集向宽带、高速方向发展成为现实。

1.3 高速数据采集的现状及研究意义

随着科技的不断进步,人们对于数据采集系统的要求越来越高,不仅要求采样精度高、数据转换速度快,还要求系统具备较强的抗干扰能力,能够进行实时处理等;与此同时,数据采集系统的应用也越来越广泛,从民用的通信、医疗、探测到军用的雷达、导弹、遥感、测控等各个方面;数据采集系统的核心器件高速模数转换器(Analog-to-Digital Converter,简称ADC)的不断推陈出新促使其它相关学科向更加精确、稳定和高速、低功耗方向发展,对科技的发展和国计民生的各个方面起着巨大的推动作用。

 数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后,再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。随着计算机技术的飞速发展和普及,数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中,应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录,为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中,应用数据采集系统可获得大量的动态信息,是研究瞬间物理过程的有力工具,也是获取科学奥秘的重要手段之一。

随着技术的发展,各种各样基于数字化的产品不断推陈出新,给我们的生活带来了极大的好处。数字化之所以能如此得到广泛拓展开来,其主要在于以下两个优点

1、数字处理灵活、方便。在软件无线电领域,正在构建一个较通用的平台,通过软件来实现现在许多僵化硬件平台的功能。这正是基于数字化带来的灵活性。

2、数字系统稳定可靠。在早期,较之模拟系统,数字系统的最大优点就在于有良好的稳定性。

数据采集的任务,具体地说,就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号,然后送入计算机或相应的信号处理系统,根据不同需要进行相应的计算和处理,得出所需的数据。与此同时,将计算机得到的数据进行显示或打印,以便实现对某些物理量的监视,其中一部分数据还将被控制生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集几乎无孔不入,它已渗透到了地质、医药器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域,为我们更好的获取信息提供了良好的基础。

另外,我们在评估一个信号源的质量时,也可以通过数据采集的手段将信号采集存入计算机,再通过各种处理方式来评价该信号源的好坏。这时,该数据采集系统就类似一台测试仪器。当然,我们需要确定系统的各项指标满足要求。数据采集系统的性能好坏,主要取决于它的精度和速度。精度是通过有效位数来反映的,有效位数越高,要求系统的噪声就越低。速度是通过采样率来反映的,速度太高,传统的TTL逻辑常常不能满足需求,一般高速采集芯片的输出逻辑都为ECL逻辑。这样相应地增加了功耗。所以,在高速数据采集芯片的设计上是用大功耗来换取高速度,同时也减小了逻辑摆幅。根据目前芯片市场来看,高性能的A/D芯片己经达到了上GHZ的采样率

作者:不详 来源:网络
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