1、 高速采集卡的研制 高速采集卡的研制 摘要 本次设计来源于 输电线路实时监控系统。 系统由一台 主机和多个分机组成。本次设计 为 系统的一个分机。 每个 分机 负责一个网点的电网的状况监测 通过高速 A/D 转换把电网的波形数据采集下来 并记录到存储器中 ， 在收到外部触发信号 时 把触发 前 200ms 和后300ms 的 电网波形 数 据 以嵌入式网络服务器的模式 发送到主机。 我国电网标准频率为50Hz一般的系统对于 5次谐波来说 200K的采样率也足够了， 本系统与 传统 的电网监测系统不同， 不仅是对工频信号监测，还要对雷电波，甚至是在对电网注入行波进行检测。这些信号都是微秒 级的，
2、这就需要上兆的采样速度。 本次设计的 AD 转换采用模拟设备公司的 AD9225 芯片保证较高的 AD 转换速度，处理器为 ALTERA 公司的 EP3C25 能提供足够多的 I/O 接口和逻辑单元。 关键词： 数据采集； FPGA； 以太网 接口 ； LWIP 协议栈 高速采集卡的研制 THE DESIGN OF DATA GATHER BASED ON FPGA ABSTRACT This design comes from the transmission line real-time monitoring system. System consists of a host and a
3、number of extension component. The design of an extension for the system. Each extension of a network responsible for monitoring the status of the grid through high-speed A / D converter to the grid and record the waveform data acquisition down to memory, when receiving an external trigger signal to
4、 trigger the pre-200ms and 300ms after the power waveform data to embed mode sensor and network servers to send to the host. Standard 50Hz grid frequency of our general system for the 200K for the five harmonics of the sampling rate is sufficient, the system and the traditional network monitoring sy
5、stems, not only is the frequency signal monitoring, but also of the lightning wave, even In wave power into the testing. These signals are the microsecond level, which would require trillions of sampling rate. The design of the AD converter analog Devices AD9225 chips to ensure high speed AD convert
6、er, processor ALTERA EP3C25 company can provide enough I / O interface and logic elements. Key words: data acquisition; FPGA; ethernet interface; LWIP stack 高速采集卡的研制 目 录 1 绪论 .1 1.1 引言 .1 1.2 数据采集卡的背景简介 .1 1.3 国、内外发展状况 .1 1.4 存在的问题 .4 2 设计要求与方案论证 .5 2.1 设计要求 .5 2.2 总体设计方案 .5 2.3 方案细节 .12 2.4 本章小结 .1
7、4 3 硬件设计 .15 3.1 系统框图 .15 3.2 前端信号调理分析 .15 3.3 信号调理电路设计 .17 3.4 A/D 转换 .19 3.5 FPGA 核心电路 .20 3.6 存储器电路 .21 3.7 以太网接口电路 .22 3.8 电源电路 .23 3.9 本章小结 .24 4 软件设计 .25 4.1 SOPC 开发流程 .25 4.2 Quartus II 工程设计 .26 4.3 Nios II 软件设计 .35 5 参考文献 .46 6 致谢 .47 高速采集卡的研制 附录 A 电路图 .1 附录 B Quartus II 电路 .2 附录 B PCB 图 .1
8、附录 C 主要的代码 .2 附录 D 测试结果 .8 附录 E 实物照片 .10 高速采集卡的研制 第 1 页 共 47 页 1 绪论 1.1 引言 数据采集 (DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号 ， 送到上位机中进行分析 ， 处理。数据采集系统是 结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。通常，必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号 ， 包括对其进行增益或衰减和隔离 ， 放大 ，滤波等 对待某些传感器，还需要提供激励信号 。 数据采集卡，即实现数据采集 (DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过 USB
9、、 PXI、PCI、 PCI Express、火线 (1394)、 PCMCIA、 ISA、 Compact Flash 等总线接入个人计算机。 1.2 数据采集卡的 背景 简介 随着现代社会高新技术的飞速发展 ， 现代生产 ， 生 活以及技术研究对数据采集系统的要求越来越高。数据采集广泛应用于工业 ， 国防 ， 图像处理 ， 信号检测等各 个领域 ，在这些应用中可用高速数据采集卡对这些数据 信号进行采集 ， 处理和存储。 ARM 处理器是 32 位嵌入 式高级 RISC 微处理器 ， 现在已经广泛应用于嵌入式各 个行业和领域。本文设计采用 FPGA 和嵌入式微处理器 的方式来实现数据的采集和
10、存储 ， 提供了一种高速度 ， 高精度的数据采集卡设计方案。本采集卡采用 Samsung 公司的 S3C2410A 微处理器 和 Altera 公司的 CycloneII 系列的 EP2C5 作为系统硬件 的核心 ， 实现对数据的采集 ， 分析和处理。 1.3 国、内外发展 状况 数据采集器的研制在国外己经 比较 成熟，而且数据采集器的种类不断增多，性能越来越好，功能越来越强大。比如美国 FLUKE 公司的 262XA 系列数据采集器是一种小型、便携、操作筒单、使用灵活的数据采集器 。 它可以单独使用 ， 也可以和计算机连接使用。它具有多种测量功能，多种数据存储方式和多种控制方式。 262XA
11、 共有 21 路模拟输入通道，可直接测量电压（交流 /直流至 300V）、电流（利用分流器）、温度（ 9 种高速采集卡的研制 第 2 页 共 47 页 热电偶，一种铂电阻）、频率和电阻等， 8 路数字输入 /输出可用于数字信号的处理。另外 4 路用于报警输出。当 某个模拟通道的输入信号超过了设定报警限，在对应的 I/O 口输出一个低电平，每个模拟通道都可设置两个报警限。 262XA 系列有两种扫描速度： 4通道 /秒（慢）， 17 通道 /秒（快）。仪器可使用 90 264V 交流电直接供电，也可使用 916V 直流供电。交直流电源还可同时使用，断电时可自动切换至直流。 RS232 接口为标准
12、配置，可用于向计算机传输数据和控制。采集的数据可随时通过接口打印。也可将数据用 RS232 接口传至计算机。记录的数据包括：通道号、测量值、时间、报警状态、累加计数等。数据格式与 Lotus、 Excel相兼容。 美国恩泰克科学公司前不久推出一种新一代的数据采集器 Edl（ EMONITOR dataline），该仪器技术先进、功能齐全，并可以与恩泰克 PM软件 DOS 版及 EFM 窗口版的多种软件完全配置使用 。 美国尼高力仪器技术公司的 2700 型数据采集器，完美地将数据记录仪，程控开关与数字表的优势集于一身，是一款高精度、多功能、使用方便的多路数据采集器。惠普公司 HP34970A
13、型数据采集器具有 61/2 位分辨率， 0.004%基本直流准确度和高达 250 通道 /秒的扫描率 ， 非易失性存储器可保存多达 50000 个带有时间标记的读数 ， 可 测包括直流电压、交流电压，由热电偶、 RTD 和热敏电阻提供的温度， 2 线和 4 线电阻，交直流电流，频率和周期。康泰克 LogBook/300 现场独立的智能数据采集器是一种独立的数据采集系统，他可采集大量的来自各种各样的传感静态的活动态的信号。 LogBook/300 内由一个 PC 插卡槽，可插入固态存储器卡或硬盘驱动器，其存储容量可达到 250M 读数以上。 Advantest（有得万公司）的 R7326A 数据
14、记录仪可以进行在线测量，测量速度达 60 点 /200ms。而且存储容量可以达到 512K 字节。供电方武多样。美国歌德仪器系统 公司的 WindoGraf 的便携式数据采集器最大采样率为10K，输入通道为 8 通道。欧美大地仪器设备中国有限公司 THS 1100 高速数据采集仪， 1 秒钟内扫描 1000 个点，有自诊断，大屏 LCD 显示，软盘存储，打印输出等功能，内置 GP-IB 和 RS-232C 接口，可实现在线微机控制和读数，精度为 0.1。 在国内，由于数据采集技术不断发展，市场上出现了各种新型的数据采集器。例如北京凯文斯系统集成有限责任公司 E16 系列 EPP 并口宽动态范围
15、的高精度数据采集器数据通道最大可以达到 16 个（单端），可编程增益为 1、 2、 4、 6、 8 位，采样最高频率决定于微机的 CPU 及处理速度，一般为 60-80KHz。北京测振仪器厂研制的HZ 9609 数据采集器振动分析仪，它采用中文显示，直观醒目 ， 操作简单方便 ;采用高速采集卡的研制 第 3 页 共 47 页 先进的微电脑技术 ， 工作可靠 ;采用高性能电池 。 体积小 ， 重量轻 ， 便于现场使用 ， 采用频谱分析技术和故障诊断技术 ， 是进行数据采集 ， 完成设备状态分析和故障诊断的得力助手 ， 它可以与微机通讯 ， 建立设备状态数据库 ， 对联设备进行更精细的状态分析 .
16、采用压电加速度传感器 ， 可测量振动信号的加速度 ， 速度和位移 ， 还可测量电压信号和转速信号 ， 采样频率 为 1Hz-10KHz.北京众人精密测控技术公司的产品是 F-5000 系列笔记本专用数据采集控制器 ， 具有程控增益 (1,2,4,8)， 通道扩展 ， 0.2%的精度等特点 ， 但分辨率不超过 12 位 .(市场价格为 7000RMB).北京飞特测控技术公司相继推出 8 通道 12位 1.3M 转换速度和 1.3M(8 位 )的采集通过率 ， 优异的直流和交流性能 ， 内带定时 /计数器 ， 程控采集频率 ， 32K 字 FIFO， 支持连续采集存盘 ， 采集通道可扩展为 120
17、 个 ， 精度为 0.2%， 另有 8 通道 16 位 250K 采集器供选择 ， 此外还有 8 位双通道 100M 数据采集器以及其 他并行口采集器 ， ISA 总线采集器 (市场价格为 9000RMB).大洋科技发展有限公司的模块无纸记录仪输入通道有 1、 5、 10、 30 几种，采样频率为 25 次 /秒，存储容量为 13650 个数据或配 PC 卡 -340， 000 个数据，精度优于 0.15 %FS。 北京德隆博宇科贸有限公司的 HG3518 数据采集器功能齐全，具有灵活多变的各种现场数据采集方式：可测量振动（加速度、速度、位移）、温度、转速等多种状态参数；并自动判别测点状态（好
18、、注意、危险）。可通过串行口与计算机进行数据通讯，对设备的状态进行精密诊断及劣化趋势分析。操作 方便，携带方便。存储空间为 128KB，可存储 1000 组状态数据，频率上限； 100-10kHz可变。温度测量精度； 1%1 个字，转速测量精度； 2%1 个字。但是价格高达 25000RMB（包括处理软件）。浙大中控的 MultiF JL-30B 彩色无纸记录仪具有 16 路万能输入，显示精度实时显示精度 0.2%，采样周期为 1 秒。北京西欧姆仪器仪表公司的 RXA-04 彩色数据多路数据显示记录仪基本输入通道有 12、 24、 32、 48、 60 五种，采样周期为 10 秒，精度为 0.
19、2%，数据存储空间达到8M 字节（电子磁盘），具有多路输 入标准电流、标准电压、热电阻、热电偶等信号接入功能。 总之，经过对国内外现有数据采集行业产品的性能、价格、功能的了解，其概况如下： （ 1）体积较大，操作复杂，或者需配笔记本电脑。 （ 2）采用 LCD 显示和键盘输入功能，带打印功能。 （ 3）采样频率和采样精度两者不能很好的统一。 高速采集卡的研制 第 4 页 共 47 页 （ 4）前端可编程增益控制范围较小（一般在 16 倍以下）。 （ 5）国内数据采集器的采样精度较低，一般为 0.2。 1.4 存在的问题 以前的控制器一般采用单片机，而单片机己从 4 位、 8 位、 16 位在向
20、 32 位展，对大多数场合来说己经能满足要求了，因为单 片机也有许多优点，如价格比较低廉、结构简单、接口扩展能力强。但有个很明显的缺点就是数学运算能力差，它可以应用在一些对采样信号数学处理较为简单的领域，而一些要求对信号的数学处理比较复杂的 领域来说，单片机就显得力不从心了，譬如是通讯领域和复杂控制领域 等。 在和上位 PC机之间的数据传输问题上，以前的数据采集系统一般都通过系统总线、微型计算机总线或板级总线和上位机 PC 系统，插槽上的各扩充板卡相连，它是微型计算机最重要的一种总线。一般谈到微型机总线，就是指这种总线。一般有以下几种标准：PCI、 ISA、 EISA 等，其数 据地址不同，以
21、适应不同的应用系统。虽然他们的传输速度比较快，分别为 132M/ S、 16M/S、 32M/S，但由于 PC 接口资源有限且需要对接口卡的硬件资源（ I/O 地址、内存、中断、 DMA）进行合理的配置，因此扩展难度很大。 为了解决功能扩展接口插卡最头疼的配置问题，九十年代推出了即插即用接口卡标准（ PCI 和 ISA PnP），由即插即用基本输入输出系统和即插即用操作系统完成对接口卡资源的自动配置，以使功能扩展接口卡的使用变得相对简单方便，但功能扩展接口卡仍存在以下问题：第一、接口卡的配置必须停机，并需打开 PC 机箱进行安装和拆卸，这个过程仍需要一定层次的技术支持，即插即用技术的采用只是降
22、低了功能扩展卡的技术需要程度，这对 PC 这样广泛运用的工具而言仍显不足；第二、接口卡设备驱动程序的安装、调试甚至正常运行的过程仍需要各种技术支持，特别是接口插卡作为一种硬件设备插人 PC 后，总要占用 PC 的备种硬件资源，即插即用算法虽能解决绝大多数的资源配置，但不能保证 100的解诀，因此，其安装和配置过程仍需要人工干预。而当扩展卡较多时，常会出现一块或多块插卡因无法合理配置而不能正常工作的情况，严重时可导致系统崩溃；第三、接口插卡的 质量高低、兼容性和标准性的程度以及驱动软件的可靠性直接影响计算机的寿命和系统的稳定性即可靠性；第四、对象笔记本之类的小体积 PC 很难用接口插卡进行扩展；
23、第五、 PC 插槽中的各种接口卡受到 PC 内部强的射频干扰，使其性能受到很大的影响 。 高速采集卡的研制 第 5 页 共 47 页 2 设计要求 与 方案 论证 2.1 设计要求 本次设计任务是高速采集卡 。采集卡能对 3V 的电压信号进行 A/D 转换，并把采样值保存到存储器中。在特定的触发信号到达时可以将采样值通过以太网接口发送到上位机。 为了能够采集到特定的高频信号如 ：雷电波或者是对输电线路注入的行波信号， 需要 1M 以上的 转换速度 。 芯片往往在极限指标状态下工作是不稳定且易老化的，为了方便本系统以后的升级本次设计选择 10M/s 以上的 ADC。 处理器需把 1M/s 的 数
24、据存储在存储器中。在收到外部触发信号时停止采样并把触发信号到达前 200ms 后 300ms 的数据上传。 2.2 总体 设计方案 本次设计不仅要选择一个合适的设计平台， 即确定是使用单片机还是 FPGA 或者是 DSP。若选择 FPGA，那么 是使用在 FPGA 上嵌入 DSP 的方法还是使用硬件描述语言，还要确定使用 什么样的 A/D 转换芯片、 A/D 转换和处理器之间用什么样的接口。怎样存储数据等， 何种方式上传数 据 等 。 2.2.1 处理 器 单片机是最基础的嵌入式处理器，以 51 为代表 。 对输入信号进行放大或衰减后，用外接触发电路产生触发信号，通过 A/D 转换将模拟信号转
25、换成数字信号，再通过单片机将数据锁存至外部 RAM。 这种方案结构较为简洁，但在满足题目的实时采样频率的要求下， A/D 的最高采样速度达 10MHz，由普通单片机直接处理这样速率的数据难以胜任， 少数改进型 51 单片机如 C8051F320 集成了较多的资源但其处理速度依然 难以达到高速数据存储的要求。 目前 的数字信号处理一般选用 DSP 处理器。 DSP 处理器 内部一般采用哈佛结构。哈佛结 构的最大特点是计算机具有独立的数据存储空间和程序存储空间，每个存储器单独编址、独立访问。这样就允许 CPU 同时执行取指令和取数据操作，从而提高了系统运算速度 。非常适合如视频处理之类的大量数据或
26、复杂的数学变换处理 。 但与 冯 诺依高速采集卡的研制 第 6 页 共 47 页 曼结构相比 ， 哈佛结构结构更复杂。 在 2000 年后迅速发展起来的 FPGA 以其独特的功能：硬件电路设计软件化 ， 可以非常方便地进行各种数字信号处理，大大的简化了外部电路设计。同时 FPGA 可以多任务并行处理保证了采样的实时性，同时可以利用软件嵌入 IP 核，这样就可以很方便地利用 C 语言实现各种控制 ，简化了设计过程。 由于 FPGA 可在线编程，因此大大加快了开发速度。电路中的大部分逻辑控制功能都由单片 FPGA 完成，多个功能模块如采样频率控制模块、数据存储模块都集中在单个芯片上，大大简化了外围
27、硬件电路设计，增加了系统的稳定性和可靠性。 FPGA 的高速性能比其他控制芯片更适合于高速数据采集和处理。 如今嵌入式微处理器中，基于 ARM 内核的 MPU 占据了绝大部分的市场。 ARM 处理器以低功耗、低成本、实用性强为特点，并以优异的产品性能著称于世，其主要特点包括以下几个方面： (1) 体积小、低功耗、低成本、高性能； (2) 支持 Thumb（ 16 位） /ARM（ 32 位）双指令集，能很好地兼容 8 位 /16 位器件； (3) 大量使用寄存器，指令执行速度快； (4) 大多数数据操作都在寄存器中完成； (5) 寻址方式灵活简单，执行效率高； (6) 采用精简指令集（ RIS
28、C），指令长度固定。 此外， ARM 处理器还采用了一些特别的技术，在保证高性能的同时尽量减小芯片体积，降低芯片功耗，这些技术包括： (1) 在同一条数据处理指令中包含算术逻辑处理单元处理和移位处理； (2) 使用地址自动增量（增加或减少）来优化程序中循环处理； (3) Load/Store 指令可以批量传输数据，从而提高数据传输的速率； (4) 所有指令都可以根据前面指令的执行结果决定是否执行，以提高指令的执行效率。 2.2.2 DSP 方案 2.2.2.1 数据处理单元 TMS320VC33 是 TI 公司在 TMS320 C31 基础上新近推出的 TMS320C3X 系列新一代浮点 DSP 芯片。其价格降低较多，性能却大有上升，是目前性价比最高的浮点运算
