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基于MCU+FPGA组合的高速数据采集系统的设计

作　者: 陆中华
导　师: 夏路易
学　校: 太原理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: FPGA 数据采集 C8051F 高速ADC USB总线
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 971次
引　用: 4次
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内容摘要


高速数据采集系统在自动控制、电气测量、地质物探、航空航天等工程实践中有着极为广泛的应用。如何对高速的信号进行实时采集、实时存储，保证信号不丢失，以满足工业现场的需要，一直是高速数据采集系统研究的一个重要方向。传统的高速数据采集系统，利用单片机和硬件FIFO对信号进行采集，但是这种系统控制单一，且不易于升级。现在有许多采用DSP处理器的高速数据采集系统，但是作为系统控制芯片的DSP，使用起来比较复杂，尤其是其内部的算法。FPGA电路逻辑关系清晰，芯片时延小、速度快，且可用VHDL或Verilog HDL描述其内部逻辑电路，便于修改和升级。如果在高速数据采集系统中采用FPGA控制器，将极大地提高系统的稳定性和可靠性。文章在对有关应用背景的分析和对当前高速数据采集系统的研究的基础上，选择MCU+FPGA的组合设计方案。采用Cygnal公司的C8051F120单片机控制系统的启动、停止，数据采集的允许，数据传输等；采用Altera公司CycloneⅡ系列的EP2C8Q208C7芯片控制高速数据的缓存和存储点数等。文章首先对当前国内外高速数据采集系统进行分析和研究，明确了各种高速系统所采用的结构和方式，简要介绍了数据采集的一些基本理论，然后在此基础上，确定了本系统的硬件结构和所要采用的各种集成电路芯片，在具体设计PCB时，充分考虑信号干扰、信号隔离等问题；FPGA是系统的核心部件，是系统设计的关键，文中详细地阐述其内部时序电路的设计过程，并给出了电路原理图和仿真时序图；设计系统软件时，单片机采用语法灵活的C语言来编写，提高了程序的可读性和移植性，数据处理软件采用VB和Delphi混合编程，充分利用两者的优点。文章的最后，介绍了系统调试的过程，验证了本系统基本实现预定的功能。实践证明，该设计方案取得比较好的效果，运行稳定。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第一章 绪论  12-20
  1.1 课题的背景  12
  1.2 数据采集的国内外研究现状和发展方向  12-18
  1.3 技术指标和要求  18-19
  1.4 课题的主要内容  19
  1.5 小结  19-20
第二章 数据采集的基本理论  20-26
  2.1 数据采集的概述  20-21
  2.2 数据采集的应用  21-23
  2.3 ADC的工作原理  23-25
  2.4 小结  25-26
第三章 数据采集系统的总体方案设计  26-32
  3.1 硬件总体方案  26-29
    3.1.1 硬件总体框图  26
    3.1.2 主要模块功能说明  26-27
    3.1.3 模块选择  27-29
  3.2 软件总体方案  29-30
  3.3 小结  30-32
第四章 数据采集系统的硬件设计  32-54
  4.1 主要硬件电路的设计  32-53
    4.1.1 电源模块电路  32-35
    4.1.2 前端调理电路  35-37
    4.1.3 启动电路  37
    4.1.4 比较触发电路  37-38
    4.1.5 A/D转换电路  38-40
    4.1.6 FPGA电路  40-42
    4.1.7 单片机控制电路  42-46
    4.1.8 存储器电路  46-48
    4.1.9 USB通讯电路  48-53
  4.2 小结  53-54
第五章 FPGA时序电路设计  54-76
  5.1 FPGA前级模块  55-61
    5.1.1 前级FIFO模块  55-56
    5.1.2 前级FIFO写数据模块  56-59
    5.1.3 前级FIFO读数据模块  59-61
  5.2 FPGA后级模块  61-65
    5.2.1 后级FIFO模块  61-62
    5.2.2 后级FIFO读数据模块  62-65
  5.3 记录脉冲触发时刻模块  65-68
  5.4 标志模块  68-71
  5.5 DLL(锁相环)  71-72
  5.6 十分频模块  72-74
  5.7 顶层时序电路  74-75
  5.8 小结  75-76
第六章 数据采集系统的软件设计  76-90
  6.1 单片机程序  76-81
    6.1.1 调试环境  76-77
    6.1.2 创建一个新项目  77-78
    6.1.3 配置项目  78
    6.1.4 为调试生成和下载程序  78-79
    6.1.5 单片机流程图  79-81
  6.2 上位机程序  81-89
    6.2.1 VB 6.0读数程序设计  81-86
    6.2.2 Delphi 7.0曲线显示程序设计  86-89
  6.3 小结  89-90
第七章 系统调试  90-98
  7.1 回收数据  90-94
  7.2 曲线显示  94-97
  7.3 小结  97-98
总结与展望  98-100
附录1: C8051F120单片机部分程序清单  100-105
附录2: 原理图  105-107
附录3: PCB图  107-108
附录4: FPGA顶层电路图  108-109
参考文献  109-112
致谢  112-113
攻读学位期间发表的学术论文目录  113

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统 > 数据收集和处理系统
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