1、基于 FPGA的数据采集系统电路设计毕业论文（设计）题目 基于 FPGA的数据采集系统电路设计1目录第一章 绪论 .31.1 引言 .31.2 EDA简介 .31.3 FPGA简介 .31.4 VHDL语言简介 .31.5 Quartus II简介 .41.6 数据采集技术简介 .4第二章 总体设计 .42.1 硬件设计 .42.1.1 线性电源模块 42.1.2 数据采集模块 62.1.3 数据输出模块 82.1.4 按键控制模块 102.2 软件设计 .112.2.1 ADCINT设计 112.2.2 CNT10B设计 122.2.3 RAM8设计 122.2.4时钟控制设计 122.2.
2、5系统顶层设计 13第三章 系统软硬件调试 .14结论 .15致谢 .15参考文献 .15英文翻译 .17附录一 线性电源、FPGA 外围电路和 FPGA最小系统连接口 PCB.18附录二 系统各模块 VHDL程序 .192摘要论文介绍了基于 FPGA的数据采集系统电路的工作原理和设计过程。根据数据采集技术原理，以 Altera公司的 EP2C8Q208C8N芯片为核心器件，通过ADC0809采集数据，并用 DAC0832输出数据，在 Quartus II平台上，通过 VHDL语言编程完成数据采集系统电路的软件设计、编译、调试、仿真和下载，再与外围硬件电路相结合调试与设计，最终实现数据采集系统
3、电路的完成。【关键词】FPGA Quartus II VHDL 数据采集3第一章 绪论1.1 引言随着数字系统的发展，广泛应用于各种学科领域及日常生活，微型计算机就是一个典型的数学系统。但是它只能对输入的数字信号进行处理，其输出信号也是数字信号。而在工业检测控制和生活中的许多物理量都是连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等,这些模拟量可以通过传感器或换能器变成与之对应的电压、电流或频率等电模拟量。为了实现数字系统对这些电模拟量进行检测、运算和控制，就需要一个模拟量与数字量之间的相互转换的过程。即常常需要将模拟量转换成数字量，简称为 AD转换，完成这种转换的电路称为模数转换器，简称 ADC
4、。1.2 EDA简介EDA，即电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写。它融合了大规模集成电路制造急速、ASIC 测试和封装技术、FPGA/CPLD 编程下载技术、自动测试技术、计算机辅助设计（CAD） 、计算机辅助制造（CAM） 、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）设计的设计概念，为现代电子理论和设计的实现和发展提供了可能性 1。EDA技术是一种综合性学科，打破了软件和硬件见的壁垒，把计算机的软件技术与硬件技术、设计效率和产品性能结合在一起，它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向。 EDA技术一般包括以下内容：1.大规模可编程逻辑器件
5、；2.硬件描述语言；3.软件开发工具；4.实验开发系统 2。1.3 FPGA简介FPGA，即现场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Array）的缩写。它是一种集成度较高的器件，属于复杂 PLD。FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点，在产品研发和开发中具有很大的优势。用 FPGA做一些协议实现和逻辑控制，如果协议理解错误或者逻辑需要更改，不需要动 PCB。另外，FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前 FPGA的品种很多，有XILINX的 XC系列、TI 公司的 TPC系列、ALTERA 公司的 FIEX系列等。本
6、设计用的是 Altera公司的 EP2C8Q208C8N芯片，里面有 68416个逻辑单元，并提供了 622个可用的输入/输出引脚和 1.1M比特的嵌入式寄存器。它提高了百分之六十的性能和降低了一半的功耗，而低成本和优化特征使它为各种各样的汽车、消费、通讯、视频处理、测试与测量、和其他最终市场提供理想的解决方案 3。41.4 VHDL语言简介诞生于 1983年的 VHDL，是 Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language的简称，1987 年底，VHDL 被作为“IEEE 标准1076”发布。VHDL不仅可以作为
7、系统模拟的建模工具，而且可以作为电路系统的设计工具，能通过 Quartus II把 VHDL源码自动转化为基本逻辑元件连接图，这极大的推进了电路自动设计 4。VHDL能从多个层次对数字系统进行建模和描述，所以大大简化了电路设计的任务，提高了设计效率。1.5 Quartus II简介由 Altera提供的 FPGA开发集成环境Quartus II，因为其运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点，迅速占领了市场 5。Quartus II支持 VHDL、Verilog 的设计流程，提供了完整的多平台设计环境，能满足各种特定设计的需要，同时，它还具备仿真功能，因此给系统的软硬件设计和调试带来了很
8、大的便利。1.6 数据采集技术简介系统利用 FPGA直接控制 ADC0809对模拟信号进行采样，将转换好的 8位二进制数据存储到存储器中，在完成对模拟信号一个或数个周期的采样后，通过DAC0832的输出端将数据读取出来。第二章 总体设计2.1 硬件设计2.1.1 线性电源模块根据系统要求，需提供+12V、-12V、+5V 的电源。因此我采用了滤波电容、防自激电容、LED 灯及固定式三端稳压器 LM7905、LM7812 和 LM7912等器件搭建成能产生精度高、稳定度好的直流输出电压的线性电源电路。系统的线性电源电路部分原理图如图 2.1所示：5图 2.1 系统的线性电源模块电路当电路接通后，
9、如果 LED 灯亮起，则代表能产生出要求的电压。为了实验的携带方便，我另外再加上电源变压器和整流电桥。在画 PCB 的时候，用大面积覆铜，有助于美观和节约实验器材。实物如图 2.2 所示：图 2.2系统的线性电源实物图6PCB图见附录一。2.1.2 数据采集模块系统采用 ADC0809进行数据采集,ADC0809 是逐次逼近式 A/D转化器，由 8位 A/D转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容组成的控制逻辑的 CMOS组件。ADC0809每进行一次比较，即决定数字码中的以为码的去留操作，需要 8个时钟的脉冲，而它是 8位 A/D转换器，所以它完成一次转换需要 8*8=64个时钟，这样它的转换
10、时间为 t=64*（1/f） ，f 为时钟频率。系统用的时钟为 500KHz，所以 ADC0809的转换时间为 128us6。因为采样时需要满足采样定理，即采样频率需要大于等于输入信号最高频率的 2倍，所以 ADC0809能采样的最高频率为 3906.25Hz。ADC0809的主要特性：分辨率为 8位,具有转换启停控制端,单个+5V 电源供电,模拟输入电压范围 0+5V，不需要零点和满刻度校准,系统中由可调电位器提供,工作温度范围为-40+85 摄氏度,低功耗，约 15mW。它的内部逻辑结构如图 2.3所示：图 2.3 ADC0809内部逻辑结构ADC0809引脚排列如图 2.4所示：7图 2
11、.4 ADC0809引脚排列ADC0809为 28引脚双列直插式封装，各引脚含义如下：IN0IN7：8 位模拟量输入引脚。D0D7：8 位数字输出量引脚。START：A/D 转换启动信号输入端。EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端。VCC：+5V 工作电压。VREF（）：参考电压正端。GND：地。VREF（）：参考电压负端。ALE：地址锁存允许信号输入端。ABC：地址输入线。系统的数据采集模块部分电路原理图如图 2.5所示：图 2.5 系统数据采集模块电路当 ALE高电平有效时，因为 A
12、BC接的都是低电平，所以选择的是 IN0通道。8当 START为上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始 A/D转换；在转换期间，START 需保持低电平不变。而当 EOC为高电平时，表明 A/D转换结束。当 OE=1时，输出转换得来的数据；否则，输出数据线呈高阻态。PCB图见附录一。2.1.3 数据输出模块系统采用的数据输出为 DAC0832。DAC0832是 8分辨率的 D/A转换集成芯片，由 8位输入锁存器、8 位 DAC寄存器、8 位 D/A转换电路及转换控制电路构成。它因为价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，而得到了广泛的应用 7。DAC0832的主要参数有：1.分辨率为 8
13、位。2.转换时间为 1us。3.满量程误差为1LSB。4.参考电压为-10+10V。5.供电电源为+5+15V。6.逻辑电平输入与 TTL兼容。它的内部逻辑结构如图 2.6所示：图 2.6 DAC0832内部逻辑结构DAC0832引脚排列如图 2.7所示：9图 2.7DAC0832引脚排列CS：片选信号输入线（选通数据锁存器） ，低电平有效。WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效。AGND：模拟信号地。D0D7：8 位数据输入线。VREF：基准电压输入线，范围为-10V+10V。Rfb：反馈信号输入线，可通过改变 Rfb端外接电阻值来调整转换满量程精度。DGND：
14、数字信号地。IOUT1：电流输出端 1，其值随 DAC寄存器的内容线性变化。IOUT2：电流输出端 2，其值与 IOUT1值之和为一常数。XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效。WR2：DAC 寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效。ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。VCC：电源输入端，范围为+5V+15V。本实验用的是+5V。DAC0832的输出放大和滤波电路采用 TL082芯片搭建。TL082是一通用 J-FET双运算放大器。它的内部结构和引脚排列如图 2.8所示 8：图 2.8 TL082内部结构和引脚排列TL082为 8引脚双列直插式封装，各引脚含义如下：（1）Output 1输出 1；（2）Inverting input 1反向输入 1；（3）Non-inverting input 1正向输入 1；（4）Vcc-电源-12V；
