基于NI智能FPGA板卡的通用数据采集系统设计

摘要：基于NI公司的智能FPGA板卡以及图形化编程软件LabVIEW设计并实现了一种通用数据采集系统。该系统与传统的数据采集系统相比结构简单、开发周期短、可靠性高、实时性好，并且对于不同应用场合，在FPGA逻辑单元足够多的情况下可以很简便地依据实际情况对其做相应调整，具有较强的通用性。

0 引言

数据采集是信号分析和处理的重要环节，在导弹半实物仿真过程中快速可靠的实验数据为提高仿真精度发挥着重要的作用。传统的数据采集系统各种数字、模拟信号相互交织，相应的外围电路庞大，接口复杂，要占用较大的电路板空间，无法满足系统的小型化要求，同时硬件成本也很高。当系统性能指标发生变化时，相应的功能电路和与之对应的隔离、滤波等电路以及相关程序都要改变。这种牵一发而动全身的结构导致系统的可扩展性比较低，系统的通用性比较差。另一方面，早期数据采集系统多是基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)设计的，数据的采样速度和精度都不是很高。

随着集成电路技术的发展，NI公司的FPGA板卡以其IO引脚多、片内资源丰富、结构灵活、具有嵌入式控制器的特点获得了越来越多的应用，其纳秒级的速度可以较大地提高数据采样的速度和精度。因此，基于NI公司FPGA板卡的数据采集系统和传统的数据采集系统相比更能实时、快速地监测信号量的变化。而且该系统结构简单、开发周期短、可靠性高、实时性好，能够完成导弹半实物仿真的数据采集任务，具有较强的通用性。

1 系统方案设计

设计该数据采集系统的主要目的是在导弹半实物仿真系统中采集导弹的舵信号，将其传给上位机进行运算和仿真。该系统的可扩展性比较好，可以灵活地适应不同的应用场合，具有较强的通用性。

系统结构图如图1所示，系统实物图如图2所示，将具有数据采集功能和数据通信功能的前端接口电路板卡集成在一个机箱里面，连接在同一块背板上由独立电源统一供电。背板上的四个接口通过NI公司专用数据线和安装在工控机里面的FPGA板卡相连接。通过FPGA板卡与LabV IEW图形化编程开发平台，实现工控机与半实物硬件系统之间的数据采集和控制信号的传输。NI公司FPGA板卡的I/O端口从C0～C3共分为四个接口，每个接口40个端口。通过LabVIEW平台进行设置可以方便地自由支配、定义任何一个端口的read/write功能，很好地解决了高速数据采集系统的控制问题。也可以由FPGA板卡向前端接口电路提供统一的时钟信号和命令字，使不同功能的电路板卡同步进行数据操作。

由码盘、旋转变压器/自整角机等传感器测量到的舵偏角信息输入系统之后，按照相应的功能需要接入不同的前端接口板卡进行光耦隔离或者经过滤波、放大等处理，经由机箱背板电路到达FPGA端口。通过FPGA分析和处理的信号之后再被传入上位机中进行存储、分析、计算、显示等处理。

在FPGA的逻辑单元足够的情况下，对于不同的应用场合可以很简便地通过增删不同功能的前端接口电路板实现相应的使用要求，从而不会对系统的其他部分产生影响。因此，该系统的可扩展性比较好，可以灵活地适应不同的应用场合，具有较强的通用性。

2 硬件设计

以前端接口板a的实现为例，其主要构成为16位的D/A转换器DAC7731模块、14位A/D转换器TLC3574模块及其他辅助电路。

2.1 D/A转换电路

DAC7731为16位的数字模拟转换芯片，其内部提供+10 V的参考电压。将其模拟量输出通过引脚设置为-10～+10 V的电压范围。DAC7731具有带双缓冲的标准三线SPI串行接口，允许模拟输出的异步更新。如图3所示，它还有一个串行数据输出线以实现多片DAC7731的链接。系统工作时由LabVIEW图形化编程开发平台通过FPGA生成和发送DAC7731芯片的SPI接口和时序控制信号，通过SDI信号依次将需要转换的数据以从最后一片到第一片的顺序发送给每片DAC7731，之后通过

和LADC信号实现多片DAC7731的同步转换输出。

2.2 A/D转换电路

综合考虑系统的分辨率、通道数、采样率、采样范围和接口等要求，系统的ADC选用TI公司的14位8通道高性能逐次逼近型模数转换器TLC3574。该器件工作频率高达25 MHz，采用伪差分的模拟输入电路，将采样信号的动态范围扩展为±10V，其内含的采样和保持功能使得外围电路大为简化。在输出接口上，该器件采用SPI/DSP兼容的串行接口方式，从而极大地减少了接口的连线数量。A/D转换电路原理如图4所示，由FPGA生成TLC3574的SPI接口和时序信号，控制其将外部的模拟信号转换后输入到FPGA，进行相应的计算和处理。由于TLC3574片内没有电压基准，可选用TI公司的三端可凋分流基准源TL431组成外围电路为其提供一个高精