基于ARM和FPGA的高速数据采集卡的设计与实现.doc

课程名称: 嵌入式系统课程设计
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完成时间: 2011年12月26日
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评阅教师日期


目录
第一章系统设计方案和主要器件选型 2
系统设计方案 2
ADC芯片选型 2
DA芯片选型 2
FPGA芯片选型 3
主控CPU选型 3
第二章数据采集与触发电路设计 4
前端采集电路设计 4
触发电路与触发控制 5
SDRAM控制器设计 6
第三章各芯片间的数据传输与处理 7
采集卡各芯片速度等级的划分和数据流向 7
ARM与FPGA通信 7
数据的模拟输出 8
第四章设计总结....................................................................................13
参考文献 13
附录1 ARM外围电路 14
附录2 FPGA外围电路 15
附录3 ARM读取显示程序 20
第一章系统设计方案和主要器件选型
系统设计方案
整个系统是由前端模拟通道、触发电路、FPGA数据采集预处理、数据模拟输出和ARM数据处理显示五部分组成。FPGA数据采集预处理分为A/D数据采集、触发控制、帧控制、SDRAM控制器和ARM数据交换五个部分,模拟数据经过A/D装换后在FPGA中缓冲,缓冲之后使用触发控制将采集到的数据分成512个数据点组成的数据帧,数据按照帧的顺序传输,经过SDRAM存储后,通过ARM与FPGA中的共享存储区传输给ARM。具体的数据采集系统的硬件结构图如下图2-1所示:
图2-1 数据采集卡硬件结构图
ADC芯片选型
A/D转换器是整个采集系统的核心,系统前端模拟电压调理电路、FPGA数据采集和后端的采集控制部分都与A/D直接相关,A/D芯片的选择不但关系到系统设计的性能,而且直接决定了整板设计的难度。
DA芯片选型
为了输出高性能的模拟信号,DAC采用采样率高达175M的高速DAC。AD970X系列DAC针对低功耗特性进行了优化,同时仍保持出色的动态性能,适合用于手持便携式仪器等需要有效地合成宽带信号的场合。AD9707 精度高达14位,采样率为175MSPS,内部集成边沿触发式输入锁存器,1V温度补偿带隙基准电压源和自校准功能,使AD9707能提供真14位INL与DNL性能。
FPGA芯片选型
在现代采集系统中FPGA往往被用做通信系统的中枢,负责了大量的数据采集和前期处理和控制工作,FPGA作为系统的中间级主芯片承担着承前启后的重大任务。
FPGA的特点及选型
常见的FPGA一般由六部分组成,分别为可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等。
FPGA的设计步骤




FPGA核心电路设计
FPGA各系列的最小系统板的单元组成基本相同,仅具体电路中存在着差异。一般可以把其组成分为七部分:FPGA主芯片、PROM存储芯片、电源电路、全局时钟发生电路、JTAG接口电路、下载模式选择电路和接口引出插针。以该最小系统板作为控制核心,外加所需的接口电路就可以实现各种设计。
主控CPU选型
主控CPU相当与人的心脏,整个系统运行的快慢与它有直接关系,常见的嵌入式处理器有单片机、ARM、DSP等,它们都有各自的特点,运用的场合各有不同,设计的难度也不一样。主控CPU的选择是一个综合的过程,在选择时它必须有以下特点:
CPU运算速度快,不能拖慢整个系统采集的效率。
CPU内嵌LCD控制器可以驱动TFT-LCD,利于降低系统设计难度。
所选处理器比较常见,在其他设计中有广泛应用,便于代码移植,简化设计。
基于此CPU的开发板购买方便,价格便宜,代码丰富。
第二章数据采集与触发电路设计
前端采集电路设计
AD前端调理电路
前端调理电路目的就是将被测信号调理到AD9480模拟输入的电压范围。被测信号经过前端阻抗变换网络之后,进入后级运算放大器,后级选择高阻抗低噪声运算放大器ADA4817,输入阻抗高达500GΩ。
下图2-1为AD8351单端转差分的典型电路:
图2-1 AD8351单端转差分的典型电路
下图2-2为AD9480功能模块图:
图2-2 AD9480功能模块图
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