基于DSP和FPGA的高精度數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

引言

當(dāng)前，許多領(lǐng)域越來(lái)越多地要求具有高精度a/d轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)處理功能。同時(shí)，市場(chǎng)對(duì)支持更復(fù)雜的顯示和通信接口的要求也在提高，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、電表、醫(yī)療設(shè)備、便攜式數(shù)據(jù)采集以及工業(yè)傳感器和工業(yè)控制等。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是應(yīng)用mcu或dsp通過(guò)軟件控制數(shù)據(jù)采集的a/d轉(zhuǎn)換，這樣必將頻繁中斷系統(tǒng)的運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集的速度也將受到限制。本文采用dsp＋fpga的方案，由硬件控制a/d轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，最大限度地提高系統(tǒng)的信號(hào)采集和處理能力。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)采集卡包括信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和總線接口設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文設(shè)計(jì)了具有信號(hào)衰減、增益放大和濾波等功能的信號(hào)調(diào)理電路，采用16位精度、最高采樣率為500ksps的a/d轉(zhuǎn)換器ad7676；數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用fpga極其靈活、可編程的特點(diǎn)，選用altera公司fpga芯片ep2c8q208，完成精度校正和邏輯時(shí)序控制；dsp采用ti公司的tms320vc5416，使a/d轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在傳輸?shù)缴衔粰C(jī)之前，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、標(biāo)記、打包以及數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)采集卡可同時(shí)進(jìn)行8通道數(shù)據(jù)采集，通道可進(jìn)行衰減倍數(shù)。采樣速度以及放大增益設(shè)置。同時(shí)提供模擬輸出通道，用于實(shí)現(xiàn)波形產(chǎn)生和模擬驅(qū)動(dòng)功能。能夠進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。pci總線接口電路采用plx technolongy公司的pci總線接口芯片pci9030，完成數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)、控制信號(hào)的傳輸。

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

從傳感器送來(lái)的8路模擬輸入信號(hào)通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)adg507選擇進(jìn)入模擬通道，如果多通道同時(shí)采集，則采用時(shí)分復(fù)用方式，由fpga依次控制各通道的通斷。模式選擇開(kāi)關(guān)adg509為四選一模擬開(kāi)關(guān)，可分別選擇被測(cè)模擬信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)參考電壓值或用于通道校準(zhǔn)的，經(jīng)過(guò)dac轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)入后級(jí)濾波衰減網(wǎng)絡(luò)電路。送入adc的信號(hào)要先經(jīng)過(guò)低通濾波，以濾除高頻噪聲。濾波電路設(shè)計(jì)為二階阻容低通濾波器，對(duì)頻率高于50khz的信號(hào)濾波。衰減電路設(shè)計(jì)為有源衰減，選用linear公司的差分放大器ltc1992，可完成輸入信號(hào)極性轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)單端信號(hào)轉(zhuǎn)差分信號(hào)，同時(shí)通過(guò)由fpga控制繼電器選通不同的電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整衰減倍數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電壓輸入范圍信號(hào)的調(diào)整，以滿足ad7676的輸入電壓范圍。信號(hào)增益可編程放大器ltc6911可通過(guò)編程設(shè)置以1、2、5步進(jìn)變化的1v/v－100v/v增益倍數(shù)，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中通過(guò)fpga內(nèi)部的比較電路自動(dòng)調(diào)整增益放大器增益倍數(shù)，極大提高了對(duì)微弱信號(hào)的分辨能力。ad7676的差分信號(hào)輸入，max6325基準(zhǔn)源提供基準(zhǔn)為2.5v的參考電壓，采樣時(shí)鐘由晶振提供10mhz時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)fpga內(nèi)部分頻電路得到，單通道最高采樣率為500ksps。

fpga電路設(shè)計(jì)

fpga芯片也是一種特殊的asic芯片，屬于可編程邏輯器件，它是在pal、gal等邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同以往的pal、gal等相比，fpga規(guī)模比較大，適合于時(shí)序、組合等邏輯電路應(yīng)用。本文選用altera公司的fpga芯片ep2c8q208，完成數(shù)據(jù)采集卡的時(shí)序和地址譯碼電路設(shè)計(jì)。由于ep2c8q208有36個(gè)m4k ram，在fpga內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)16位寬度、4kb深度的fifo，使用fifo提高數(shù)據(jù)采集卡對(duì)多通道信號(hào)的采集存儲(chǔ)能力。fifo有半滿、全滿、空標(biāo)志位，當(dāng)dsp檢測(cè)到半滿標(biāo)志位時(shí)，fifo同時(shí)讀寫；全滿時(shí)只讀不寫；空時(shí)只寫不讀。a/d采樣控制信號(hào)由dsp通過(guò)fpga控制；dsp對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，以提高精度，也具有傳統(tǒng)cpu或mcu的功能，對(duì)時(shí)序、觸發(fā)、dma中斷請(qǐng)求作出相應(yīng)處理。

dsp電路設(shè)計(jì)

dsp采用tms320vc5416，它是16位定點(diǎn)dsp，具有高度的操作靈活性和很高的運(yùn)行速度，采用改善的哈佛結(jié)構(gòu)（1組程序存儲(chǔ)器總線，3組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線，4組地址總線），具有專用硬件邏輯的cpu、片內(nèi)128kb的存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)、以及一個(gè)效率很高的指令集。

dsp在系統(tǒng)中的作用主要是將a/d轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在傳輸?shù)缴衔粰C(jī)之前，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、標(biāo)記、打包以及數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所有控制的信號(hào)都由dsp控制fpga邏輯電路產(chǎn)生。dsp外掛flash存放dsp程序及其它配制數(shù)據(jù)，在上電時(shí)，dsp采用并行方式調(diào)入dsp內(nèi)部執(zhí)行。

校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)電路是本設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)采集卡的高精度性能不僅取決于高分辨率的adc，在更大程度上要依靠該數(shù)據(jù)采集卡優(yōu)良的自校準(zhǔn)和抗噪聲能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，dsp發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)值，經(jīng)d/a和a/d轉(zhuǎn)換后，所采集的數(shù)據(jù)值與原標(biāo)準(zhǔn)值相比較，取其偏差系數(shù)組成去噪方程，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的自校準(zhǔn)。

pci總線接口電路設(shè)計(jì)

pci總線規(guī)范十分復(fù)雜，其接口的實(shí)現(xiàn)比較困難。數(shù)據(jù)采集卡采用pci9030作為用戶接口，為pci總線接口的開(kāi)發(fā)提供了一種簡(jiǎn)捷的方法，只需設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的局部總線接口控制電路即可實(shí)現(xiàn)pci總線的高速數(shù)據(jù)傳輸。使用altera公司的quartus ii，是的硬件實(shí)現(xiàn)軟件化設(shè)計(jì)，更新了傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和調(diào)試方式，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，特別是其設(shè)計(jì)仿真的和定時(shí)分析使的設(shè)計(jì)更加可靠，確保了系統(tǒng)的正確性。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

在windows98/2000/xp環(huán)境下，處于windows用戶態(tài)的應(yīng)用程序不能直接對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作，要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的硬件資源（如內(nèi)存、中斷等）的訪問(wèn)，必須編寫運(yùn)行在核心態(tài)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。目前，使用較多的開(kāi)發(fā)工具是gungo公司的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)組件windriver。利用windriver開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，不需熟悉操作系統(tǒng)的內(nèi)核知識(shí)。整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序中的所有函數(shù)都是工作在用戶態(tài)的，通過(guò)與windriver的.vxd和.sys文件交互來(lái)達(dá)到驅(qū)動(dòng)硬件的目的。因?yàn)閣indriver開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了針對(duì)plx公司芯片的存儲(chǔ)器范圍、寄存器和中斷處理等模塊，所以本文采用了gungo公司windriver5.3開(kāi)發(fā)工具，它支持plx公司的pci接口芯片，用戶無(wú)需具有ddk和核心態(tài)程序開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，調(diào)試時(shí)可結(jié)合plx公司的plxmon工具。

操作界面設(shè)計(jì)

采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的labview軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。labview是一種圖形化編程語(yǔ)言，操作界面模擬實(shí)際儀器的控制面板，使用戶能完成通道選擇、模式選擇、增益設(shè)定、采樣率設(shè)定等功能，操作簡(jiǎn)單方便。

系統(tǒng)指標(biāo)分析

adc誤差分析

常用的adc主要存在量化誤差、增益誤差和偏置誤差。量化誤差是任何adc都存在的，僅僅能通過(guò)提高adc分辨率來(lái)減少，為把量化誤差減少為±1lsb/2，通常的方法是把變換特性偏移1lsb/2。偏移誤差是指對(duì)adc采用零狀差動(dòng)輸入時(shí)實(shí)際代碼與理想代碼之間的差異。增益誤差是指從負(fù)滿量程轉(zhuǎn)為正滿量程輸入時(shí)實(shí)際斜率與理想斜率之差。偏移和增益誤差通常是adc中主要的誤差源。為了進(jìn)行偏移校準(zhǔn)，本文采用0v或非常小的信號(hào)并讀取輸出代碼。如果結(jié)果為正，那么轉(zhuǎn)換器就存在正偏移誤差，從結(jié)果中減去偏移值；如果結(jié)果為負(fù)，那么轉(zhuǎn)換器就存在負(fù)偏移誤差，可向結(jié)果加上偏移值。通過(guò)對(duì)adc施加滿量程或近于滿量程的信號(hào)并測(cè)量輸出代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)增益校準(zhǔn)。偏移校準(zhǔn)在增益校準(zhǔn)之前進(jìn)行。

模擬開(kāi)關(guān)誤差分析

多路開(kāi)關(guān)大體上可分為兩種類型，即模擬電子開(kāi)關(guān)和機(jī)械觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)。模擬開(kāi)關(guān)具有轉(zhuǎn)換速度快，使用壽命長(zhǎng)、體積小、成本低、集成度高和無(wú)抖動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)；但也存在一些缺點(diǎn)，如導(dǎo)通電阻較大、存在道間干擾、通道間共地等。

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡使用adi公司的adg507和adg509，導(dǎo)通電阻ron100－300ω，輸入信號(hào)要通過(guò)ron分壓，輸出到負(fù)載電阻上的電壓要下降一些。為此，本設(shè)計(jì)用opa2277做成壓級(jí)跟隨器連接到后面的負(fù)載電路上，以拉高多路模擬開(kāi)關(guān)的負(fù)載阻抗，削弱串聯(lián)內(nèi)阻的影響。

精度設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡使用了可編程增益放大器ltc6911，最大可調(diào)增益為100v/v，極大提高了采集卡對(duì)微弱信號(hào)的分辨能力。同時(shí)，信號(hào)調(diào)理部分的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)可完成對(duì)信號(hào)的1/2、1/4分壓，擴(kuò)大了數(shù)據(jù)采集卡的動(dòng)態(tài)范圍。信號(hào)和干擾噪聲在時(shí)域混合在一起，但是在頻域有不同特性，因此，預(yù)先設(shè)計(jì)濾波器對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行抑制，避免噪聲電平很高，用增益放大器接收這樣的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致放大器飽和，使儀器不能正常工作。

電壓基準(zhǔn)源是a/d或d/a轉(zhuǎn)換電路的重要部件，系統(tǒng)輸出精度在很大程度上取決于電壓基準(zhǔn)源的精度。這里主要考慮輸出精度、穩(wěn)定性和溫度漂移系數(shù)。max6325是低噪聲、高精度的掩埋齊納型基準(zhǔn)電壓源芯片，其初始輸出電壓精度高達(dá)0.02％，溫度系數(shù)為0.5ppm/℃。

結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)采集卡采用16位精度adc，模擬信號(hào)通道設(shè)計(jì)考慮了微弱信號(hào)檢測(cè)，噪聲抑制、高頻濾波、差分放大電路和可變成增益放大電路，數(shù)字電路部分設(shè)計(jì)以ep2c8q208為核心，利用fpga的時(shí)序嚴(yán)格、速度較快、可編程性好等特點(diǎn)，將可能需要的各種控制和狀態(tài)信號(hào)引入fpga，利用fpga的大容量和現(xiàn)場(chǎng)可編程的特性，根據(jù)不同的要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修改，增大了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功率和靈活性。同時(shí)，dsp對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理極大地提高了數(shù)據(jù)的精度。在pcb布線時(shí)認(rèn)真考慮了濾波、接地和合理的信號(hào)走線，提高了數(shù)據(jù)采集卡的可靠性。