一种基于FPGA的多通道高速采样系统设计

摘要：旋转机械的振动监测，对于机械的安全运行和提高设备利用率有重大意义。利用FPGA的并行处理能力，采用高速可编程FPGA模块和嵌入式开发的结合方式，提出了一种基于FPGA的高速、多通道、同步采样实现方法。阐述了对于高速AD芯片的控制，硬件的布局布线，以及对于系统的功能要求，进行了软硬件的设计和调试。通过仿真和实验的结果表明，对于信号发生器发出的高频率正弦波，上位机上能够显示出完好的波形，即基于FPGA的采样设计能够达到多通道，高速采样的要求，可以实现对高速旋转机械振动的实时监测。

0 引言

大型旋转机械包括了汽轮机、水轮机、压气机等机械设备，是航空、电力、机械、石油化工等领域的关键设备。随着工业生产和运行机组的参数不断提高，对设备的可靠性、安全性、经济性提出了更高的要求，促使了对于旋转机械设备振动监测技术的研究。

目前实现数字信号处理主要有两种形式：一种是使用数字信号处理器(DSP)，DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈夫结构，而且具有专门的硬件乘法器，可以广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。然而，由于受到DSP自身性能的限制以及程序指令按顺序执行的特点，难以实现大规模、高速运算;另一种则是现场可编程门阵列(FPGA)。FPGA的结构主要分为三部分：可编程逻辑模块、可编程I/O模块、可编程内部连线，这样就大大降低了印刷电路板设计的工作量和难度，同时，FPGA具有强大的逻辑功能，能对多路信号进行并行处理，可以自定义模块和自定义指令，有效提高了设计的灵活性和效率。因此，在比较低的取样速率时，整体上很复杂的程序可以使用DSP;而在高速，多通道采样方面，FPGA具有明显的优势。实际中，一般的水轮机，汽轮机的旋转速度在每分钟几千转，可以利用DSP完成数据采样，但是遇到超过每分钟万转以上的旋转机械，就可以利用FPGA来完成高速采样。

本设计采用高性能的FPGA芯片EP3C25Q240，高速多通道同步采样AD芯片THS1207，通过良好的PCB布局、模块化编程、多通道并行处理，实现对于高速旋转机械的振动监测与分析。

1 并行系统的工作原理

1.1 系统内部构成

并行系统工作原理框图如图1所示。本系统采用自顶向下的设计方法，可以主要分为AD模块、FPGA控制模块和以太网通信模块。外部振动模拟信号经过信号调制电路后进入AD芯片进行12位模数转换，之后把数字信号并行传递给FPGA芯片。得到采样数据后，FPGA对信号进行并行处理，然后将处理过的数字信号通过以太网完成与上位机的数据通信。

FPGA模块是信号处理系统的核心，它主要完成对数据采集的控制，对数字信号的并行处理与运算以及以太网通信。

1.2 系统外围接口

系统外围主要有AD转换电路、信号调理电路、键相电路、SDRAM和EPCS电路、电源电路、JTAG和AS调试接口、以太网接口和LED显示接口等。

2 板级电路设计

作为控制核心的FPGA芯片采用Altera公司的Cyclone系列的第三代EP3C25Q240，它具有丰富的资源和引脚数量，足够满足本系统需要。凭借其低功耗、高功能、低成本的前所未有的组合，拓宽了大批量、成本敏感的应用。

考虑到设计的高速多通道的要求，AD选用了Texas Instruments生产的高速芯片THS1207。THS1207是一个CMOS、低功耗、12位、6 MSPS模拟-数字转换器。对速度、分辨率、带宽和单电源操作都非常适合应用在雷达成像、高速采集和通信。输出误差校正逻辑的多级流水线架构，并提供了在整个工作温度范围内无失码。该THS1207由四个模拟输入，同时进行采样，这些输入可以单独选择，配置为单端或差分输入。为ADC提供1.5～3.5V的内部参考电压。外部也可以参考选择适合ADC精度和温度漂移要求的应用，如图2所示。

D0-D11是并行数据输入/输出口;CS1为芯片的片选信号;RD和WD分别为读写信号;CONV_CLK为提供给AD芯片的工作时钟信号;SYNC为数据同步信号;REFP和REFM为AD的参考电压，可以选择内部或外部参考电压，本设计中采用了内部参考电压;BVDD和DVDD是数字正电源，AVDD是模拟正电源;BGND和DGND是数字地，AGND是模拟地;AINP、AINM、BINP、BINM为模拟信号输入的四个通道。

FPGA和上位机的数据通信需要由以太网模块来完成。以太网采用高速DM9000A芯片，该芯片是台湾DAVICOM公司推出的一款高度集成、功能强大、引脚少、性价比高的单片快速以太网控制芯片，非常适用于嵌入式系统设计。DM9000A主要特性是：集成10/100M物理层接口;内部带有16K字节SRAM用作接收发送的FIFO缓存;支持802.3以太网传输协议;体积小，只有48个引脚;