来源：电子设计应用 作者：成都电子科技大学 李晖 田书林 叶发

    引言

    当前，许多领域越来越多地要求具有高精度a/d转换和实时处理功能。同时，市场对支持更复杂的显示和通信接口的要求也在提高，如环境监测、电表、医疗设备、便携式数据采集以及工业传感器和工业控制等。传统设计方法是应用mcu或dsp通过软件控制数据采集的a/d转换，这样必将频繁中断系统的运行，从而减弱系统的数据运算能力，数据采集的速度也将受到限制。本文采用dsp+fpga的方案，由硬件控制a/d转换和数据存储，最大限度地提高系统的信号采集和处理能力。

    系统结构

    整个采集卡包括信号调理、数据采集、数据处理和总线接口设计。系统结构如图1所示。

    图1 系统结构框图

    本文设计了具有信号衰减、增益放大和滤波等功能的信号调理电路，采用16位精度、最高采样率为500ksps的a/d转换器ad7676；数字系统设计利用fpga极其灵活、可编程的特点，选用altera公司fpga芯片ep2c8q208，完成精度校正和逻辑时序控制；dsp采用ti公司的tms320vc5416，使a/d转换后的数据在传输到上位机之前，进行数据整理、标记、打包以及数据预处理。数据采集卡可同时进行8通道数据采集，通道可进行衰减倍数、采样速度以及放大增益设置。同时提供模拟输出通道，用于实现波形产生和模拟驱动功能。能够进行自动校准，保证数据采集的准确性。pci总线接口电路采用plx technology公司的pci总线接口芯片pci9030,完成数据采集和状态、控制信号的传输。

    系统硬件电路设计

    数据采集模块设计

    从传感器送来的8路模拟输入信号通过多路模拟开关adg507选择进入模拟通道，如果多通道同时采集，则采用时分复用方式，由fpga依次控制各通道的通断。模式选择开关adg509为四选一模拟开关,可分别选择被测模拟信号、标准参考电压值或用于通道校准的、经过dac转换后的信号进入后级滤波衰减网络电路。送入adc的信号要先经过低通滤波,以滤除高频噪声。滤波电路设计为二阶阻容低通滤波器，对频率高于50khz的信号滤波。衰减电路设计为有源衰减，选用linear公司的差分放大器ltc1992，可完成输入信号极性转换,实现单端信号转差分信号,同时通过由fpga控制继电器选通不同的电阻网络调整衰减倍数，可实现对不同电压输入范围信号的调整，以满足ad7676的输入电压范围。信号增益可编程放大器ltc6911可通过编程设置以1、2、5步进变化的1 v/v~100 v/v增益倍数 ，数据采集过程中通过fpga内部的比较电路自动调整增益放大器增益倍数，极大提高了对微弱信号的分辨能力。ad7676为差分信号输入， max6325基准源提供基准为2.5v的参考电压，采样时钟由晶振提供10mhz时钟信号经fpga内部分频电路得到，单通道最高采样率为500ksps。

    fpga电路设计

    fpga芯片也是一种特殊的asic芯片，属于可编程逻辑器件，它是在pal、gal等逻辑器件的基础上发展起来的。同以往的pal、gal等相比，fpga规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路应用。本文选用altera公司的fpga芯片ep2c8q208，完成数据采集卡的时序和地址译码电路设计。由于ep2c8q208有36个m4k ram，在fpga内部设计一个16位宽度、4kb深度的fifo，使用fifo提高数据采集卡对多通道信号的采集存储能力。fifo有半满、全满、空标志位，当dsp检测到半满标志位时，fifo同时读写；全满时只读不写；空时只写不读。a/d采样控制信号由dsp通过fpga控制；dsp对采集后的数据进行进一步处理，以提高精度，也具有传统cpu或mcu的功能，对时序、触发、dma中断请求作出相应处理。

    dsp电路设计

    dsp采用 tms320vc5416，它是16位定点dsp，具有高度的操作灵活性和很高的运行速度，采用改善的哈佛结构(1组程序存储器总线，3组数据存储器总线，4组地址总线)，具有专用硬件逻辑的cpu、片内128kb的存储器、