基于FPGA的一种新型8通道数据采集系统

数据采集是通过采样电路将输入的模拟信号转换成离散信号，并送入CPU进行处理，已经广泛应用在现代工业控制的各个方面。数据采集的速度和精度，很大程度上影响到整个系统的工作能力。常用数据采集方案是以MCU或者DSP为核心，控制数据采集并对数据进行相应处理，A/D转换器的启动、通道选择、数据传输和读取均依靠软件编程来实现。由于受MCU或者DSP执行指令时间的限制，这种采集方案的速率和效率较低，难以适应各种高速信号采集的需要，另外，各种复杂系统中，CPU要协调各外围设备工作时序，收发指令，同时还要完成各种控制算法。若采集数据量较大，占用大量CPU资源，限制CPU工作能力，则会大大降低整个系统的工作效率。

本文针对应用于伺服控制系统的8通道数据采集方案进行设计，依靠FPGA硬件完成数据采集时序控制以及数据的预处理过程，将处理后的数据输送给CPU，使 CPU有足够的资源完成伺服算法。由于FPGA运行速度快，能够保证数据采集的实时性和准确性。

系统硬件设计如图1所示。



1 硬件电路设计

1.1 A/D转换电路设计

本设计采用MAXIM公司的8通道MAX1300芯片。该A/D转换芯片最大可支持115 kS/s采样速率,以及最大±12 V单端电压输入以及±24 V差分电压输入，同时由于其比普通A/D转换芯片具有更高的精度(16位数据输出)，而且体积小、使用方便、适合使用在各项指标严格的伺服系统中。图2为 MAX1300硬件设计图。



MAX1300外围电路较其他A/D芯片更为简单,支持三种总线方式与CPU连接：SPI方式、QSPI方式、MICROWIRE方式。图2中 MAX1300与FPGA连接只使用了CS、DIN、SCLK、DOUT四个引脚，不占用数据总线，这在一定程度上节约了电路板面积，减少了硬件电路设计的难度。CH0~CH7为模拟电压输入通道，AVDD1~2为模拟电压端，DVDD为数字电压端，AGND1~AGND3为模拟地，DGND与DGNDO 为数字地。DVDDO为IO口电压，根据MAX1300连接器件IO电压不同，DVDDO选择不同电压值，支持范围2.7~5.25 V，FPGA选用ALTERA公司CYCLONE系列EP1C6Q240C6，IO电压为3.3 V,所以DVDDO接3.3 V电压。REF和REFCAP为参考电压输入接口，器件内部有4.096 V电压参考，使用内部电压参考时，REF与REFCAP分别接1 μF和0.1 μF电容接地。MAX1300支持三种采样模式：external clock mode、external acquisition mode和 internal clock mode，其中external clock mode支持到最高采样速率115 kS/s,该模式下SSTRB引脚闲置,可以悬空。

CS引脚为片选引脚,芯片所有输入输出操作只有在CS为低电平时才有效。DIN引脚为MAX1300数据输入引脚，用于对芯片进行相应配置(工作时钟方式，电压范围)。DOUT为数据输出，用于输出转换后的数字信号。SCLK为时钟输入引脚。进行采集时，DIN引脚在CS变低后的第一个高电平认为是数据的起始位，随后数据选择采集通道，数据在每个SCLK时钟的上升沿进入MAX1300。从第16个时钟开始，转换后的数据在每个SCLK的下降沿经 DOUT引脚输出。

1.2 CPU硬件电路设计

此系统主要应用为伺服控制，CPU选用TI公司控制类专用DSP芯片TMS32028335。TMS32028335为新型浮点运算CPU，支持最高 150 MHz工作频率，较之以往的MCU或控制类DSP芯片具有显著优势。其硬件设计如图3所示。



鉴于MAX1300经FPGA后输出为8路16位数据，因此CPU只使用D15~D0共16位数据线以及A2～A0共3位地址线(经FPGA内部译码为8 路地址)。CS为TMS32028335外部接口片选信号，无操作时保持为高电平，当对外部地址操作时，CS变低。RD为外部接口读使能信号，WR为外部接口写使能信号，均在对外部地址操作时变低。VDD为TMS32028335内核电压要求为标准1.9 V，VDDIO为IO电压，3.3 V，与FPGA的IO接口电压保持一致。WR信号变低时，TMS32028335将通道地址和MAX1300配置数据写入FPGA，同时启动 MAX1300进行数据采集。RD信号变低时，表示DSP从FPGA读取采集完毕的数据。

TMS32028335需要完成伺服系统主要的伺服算法工作,其根据算法需要,在适当时刻通过FPGA启动MAX1300，CS变低，WR变低，数据线和地址线信息写入FPGA，启动MAX1300采集数据。当采集工作完成后，对数据进行读取，CS变低，RD变低，从FPGA读取数据进行处理，完成伺服算法。

2 FPGA时序控制

MAX1300正常工作需要32个工作时钟，而普通MCU或DSP芯片SPI通信端口最大支持16个工作时钟，使用起来很不方便，因此实际工作中采用 FPGA控制MAX1300的工作时序及数据采集，DSP读取MAX1300采集并经FPGA处理后的数据。FPGA内部时序设计如图4所示。



如图4所示，FPGA时序设计主要由数据发送模块TRANSMIT、数据接收模块RECEIVE、数据处理模块PROCESS、A/D采集控制模块 AD_CONTROL以及存储FIFO组成。

实际采集中，AD_CONTROL模块按DSP要求控制MAX1300时序工作。需要采集数据时，START信号变低后（START连接DSP的WR信号），AD_CONTROL读取TMS32028335数据线和地址线信息(地址线选择MAX1300采集通道，数据线加载MAX1300配置数据），并将相应数据AD_DATA写入TRANSMIT模块（配置MAX1300，选择采集通道）。随后ADCS信号变低，同时SCLK时钟开始工作，TRANSMIT模块在SCLK时钟作用下将数据由ADOUT引脚按位输出。在采集数据之前先对MAX1300进行配置，选择电压范围以及时钟工作模式。随后AD_CONTROL连续输出32个工作时钟，在前16个时钟选择数据采集通道,后16个时钟接收MAX1300输出数据。AD_CONTROL 模块根据地址线高低电平产生通道选择信号CHANNEL，同时产生内部FIFO工作时钟FIFOCLK，控制存储FIFO的读写。

从第17个工作时钟开始，在每个时钟的下降沿MAX1300输出A/D转换后的数据。数据接收模块RECEIVE在SCLK时钟作用下对数据接收。接收机制采用通用UART设计机理，用16倍SCLK的时钟RDCLK对每位数据进行16次采样。若高电平采样次数超过10次，则认为为“1”，否则为 “0”。当16位数据接收完毕时，模块将其转换为并行数据输送给数据处理模块PROCESS。

MAX1300工作时序如图5所示。



为了防止A/D数据采集过程中由于外界因素产生各种干扰（如尖峰干扰），采用类似于中值滤波的处理方法。设计中添加PROCESS模块对数据进行处理。采集数据时，每个通道数据采样10组，每组采样3次。将每一组的中值取出后求其平均值，作为此次采样数据的值。这样在一定程度上去除了外界因素对结果的影响，也为CPU进行下一步滤波减轻了负担。PROCESS模块对数据处理后，FIFOCS信号不变低，根据AD_CONTROL给出的CHANNEL信号，在FIFOCLK时钟作用下将数据写入对应的FIFO中，每路数据对应一个FIFO模块。

PROCESS模块处理后的数据存储在相应FIFO中，TMS32028335在适当时刻进行读取。读取数据时， CS和RD信号变低，FPGA根据地址线A2~A0，内部通过译码产生RDCS1、RDCS2等信号（内部译码部分图5中未标出），从相应FIFO读取相应通道的采集数据。

本文提出一种新型8通道数据采集系统，适合应用在高精度伺服控制系统中。详细介绍了A/D转换模块和CPU硬件设计电路，采用FPGA完成整个电路时序控制工作。同时，在FPGA内部设置数据预处理模块，对所采集数据进行前置处理，减轻CPU负担，加大其数据处理的能力。经实际工作测试，该设计很好地完成8通道、16位数据采集处理工作，达到系统指标要求。