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摘 要

随着数字技术的不断发展，对数据采集设备的要求也越来越高：一方面，要求其有比较灵活的接口和较高的数据传输速率；另一方面，在采集数据时要高效、准确且能对数据做出快速而又准确的响应。并能及时地对接收到的数据进行分析和处理。本文设计和实现了基于FPGA系统的数据采集器。

该系统使用FPGA作为系统控制核心单元，其优点是时钟频率高，内部延时小，FPGA可以在同一个时钟周期内进行多个操作，所以速度比较快，其次FPGA体积方面有很大的优势，体较小，管脚多。在FPGA内部实现了逻辑设计和嵌入式CPU NIOS软核的嵌入。通过对ADC0809电压采集芯片的控制来采集多路电压，并在FPGA内部实现和NIOS软核的通信。在NIOS中接收来自ADC0809将模拟电压信号转换为数字信号的转换完成标志，并在NIOS内部将数字数据转换为电压值。采集的速度是100us一次。将电压值通过串口输出给上位机PC；在PC上使用上位机软件可以实时观测电压数值，并且通过可调电阻改变输入的电压值的方式来实时在PC上观测电压的变化。

关键词：FPGA NIOS ADC0809 多路电压采集

FPGA-Based Data Acquisition Device

Abstract

With the continuous development of digital technology, the requirement of the data acquisition devices are higher increasingly. On the one hand, it requires a relatively flexible interface and high data transfer rates; on the other hand, it requires efficient and accurate data collection and can make quick and accurate response when collecting data. At the same time, the devices should analysis and process the received data in time.

The system uses FPGA as the core of the system control unit, the advantage of the system is a high clock frequency and a small internal delay, FPGA can perform multiple operations in a single clock cycle, so the speed is fast. Secondly, there is a great advantage in the bulk of FPGA, it is small and the number of the pin is large. In the FPGA, logic design and embedding CPU NIOS soft core are realized. By controlling ADC0809 voltage collecting chip, multiple voltage can be collecting, and realize the communication with NIOS soft-core in FPGA. NIOS receives the flag of completion from ADC0809 that the analog voltage signal is already converted to digital signals, and convert digital data into a voltage value in the internal NIOS. The speed of collecting is 100us at a time. The voltage output to the host computer via the serial PC, voltage value can be observed in real time using PC software on the PC. At the same ,the change of the voltage can be observed on PC by the way changing input voltage using via an adjustable resistor.

Keywords : FPGA ；NIOS ；ADC0809 ；multiple voltage acquisition

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 数据采集系统简介 1

1.2 数据采集系统的研究意义和应用 1

1.3 系统中主要研究内容和目的 2

1.4 论文结构 2

1.5 本章小结 3

第二章 系统工作原理及主要器件介绍 4

2.1系统的整体设计 4

2.2 FPGA芯片选型 4

2.3 ADC0809芯片 7

2.4 串口芯片MAX3232 10

2.5 本章小结 12

第三章 系统硬件电路设计 13

3.1硬件电路整体框图 13

3.2 FPGA核心电路 14

3.3 模数转换模块 16

3.4 分压模块 18

3.5 本章小结 19

第四章 系统软件设计 20

4.1 设计思路 20

4.2 实现代码 22

4.2.1 顶层介绍 22

4.2.2 各子模块设计 22

4.3 设计仿真 31

4.3.1 ADC模块仿真图 31

4.3.2数据采集和输出的仿真图 31

4.4 本章小结 32

第五章 测试及分析 33

5.1 硬件调试 33

5.2 调试结果 33

第六章 总结与展望 34

6.1 总结 34

6.2 展望 34

参考文献 35

致谢 37

第一章 绪论

1.1 数据采集系统简介

随着计算机技术的不断发展，计算机已经成为我们生活中不可或缺的一份子。从第一代计算机占用几百平米的时代到现在小到一本书大小的计算机，发展速度是及其的惊人，而且功能越来越强大。可以做很多事情，除了业余生活中娱乐的功能，更多的是扮演着专业领域的工作工具。但无论如何发展，计算机都是以数字为基础，因为在计算机内部的运行程序或者指令又或者数据，都是以二进制形式存储。既然有存储那就必须有输入，输入在很多行业有不同的表现，如在安防摄像头行业，存储的数据时图像；在电力行业存储的数据是电压；在气象行业存储的数据是风力湿度以及现在的PM2.5的浓度等相关数据。那么这些数据都是从哪里来的？这些数据的来源对于计算机或者处理器来说是至关重要的，数据来源有多种，但都离不开一个叫做采集系统的东西！采集系统就像人的触感一样，能感知外界的事物。在计算机时代，数据采集，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集信息的过程。数据采集系统是对需要的数据进行采集，整理，处理的用户系统。

1.2 数据采集系统的研究意义和应用

在计算机广泛应用的今天，数据采集的应用非常广泛，数据采集从大体上可以分为模拟信息采集和数字信息采集。无论是模拟采集或者数字采集，都是为了让计算机能够得到被采集的事物所表现出来的数字特性，比如温度采集、烟雾采集，PM2.5以及人体特征采集等。都是利用一些专业的传感器的采集来得到相应的信息，然后转换为数字信息来使计算机或者嵌入式系统来进行分析控制。在得到采集的信息后，有多种方式可以和计算机或者嵌入式系统通信。和计算机通信如果需要高速处理采集到的数据，可以使用PCI等高速接口，但如果并不是强调速度的话通常可以使用串口或者USB接口，而且串口和USB接口的使用也很方便，基本上计算机都会有这样的接口。

1.3 系统中主要研究内容和目的

本设计是要实现基于FPGA的多路电压采集，并且通过串口传输到PC上进行显示和处理。

当今关于数据采集系统的产品多种多样，有一部分是基于PCI卡槽的。这种基于PCI卡槽的数据采集器具有高速传输数据的特点，但是却使用不灵活，因为使用前都要插在电脑的PCI卡槽上。这样的话，对于笔记本来说，如果没有可以扩展的PCI插卡槽，就很难去实现相应的数据采集上报。另外一大类应用是基于USB的采集，由于现在大部分电脑还有以USB2.0甚至USB1.0为主。该系统是以采集多路电压为主，使用的主CPU是ALTERA的EP3C10E144C8的FPGA，在FPGA内部实现了逻辑设计和嵌入式CPU NIOS的设计方法。逻辑部分主要负责对ADC0809电压采集芯片的控制以及和NIOS的通信协议，而NIOS则是实现了和上位机通信以及对内部逻辑的控制功能。这种方式比当前大部分使用单片机或者其他单核CPU有更大的优势，因为FPGA本身是一个编程灵活、内部资源集成度高，并且还具有嵌入式软核的资源，这样就可以在单芯片上实现逻辑以及CPU功能。

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