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（安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽 淮南 232001）
【摘 要】本文针对煤矿中需要采集的数据类型较多、数据量大的问题,设计了一种基于FPGA的多通道数据采集系统.系统可实现多通道数据实时采集与处理,相对于传统系统采集通道少、数据传输缓慢、电路繁杂的缺点,设计具有采样精度高、数据传输速度快等优点.
【关键词】数据采集；AD转换；FPGA；USB接口
０ 引言
在煤矿开采的过程中,采矿人员的作业环境一直处于较为复杂且危险的状态,因此,对于采矿人员的人身安全保护就成了首要考虑的问题,以至于对矿井中的环境状态进行实时监测就显得非常必要,在传统的设计方案中由于数据采集系统I/O口的局限性,需要许多相对独立的采集系统来对井下的各个变量进行数据采集,这样做不但使得系统过于分散,也不利于数据的集中处理,本设计使用FPGA芯片来进行数据采集,不但提升了数据传输速度,而且FPGA的I/O口极其丰富,并且FPGA芯片具有高速的实时数据处理能力,完全能够满足井下数据采集的要求,正是基于FPGA以上的优点,本设计提出了一种8通道的数据采集方案.
放大电路:麻省理工开放课程：电路与电子学.第11集.小信号电路.中英双字幕
1. 系统总体结构设计
由于煤矿作业环境的特殊性,矿井时刻存在着矿井塌陷；瓦斯爆炸、巷道渗水等危险,因此,设计中获取的目标信号主要为矿井中的瓦斯浓度、巷道内的温度、湿度、流速四种物理量,采集到的数据经过AD转换器处理之后有控制器经过USB2.0连接到上位机进行显示,监控人员可以根据当前采集到的原始数据进行分析并对井下的安全情况作出相应的判断,从而不但使得井下作业人员的人身安全得到保障.
该系统电路包含了传感器、模拟调理电路、多路模拟开关、AD转换器、FPGA 、USB接口电路6个部分组成.相应的要完成设计的模块主要有信号采集电路、信号调理电路、AD转换电路、数据传输电路.各个物理量的传感器测得的模拟信号经过模拟调理电路处理后送至模拟开关电路,FPGA的控制信号选通其中的一路信号进入AD转换器进行模数转换,然后FPGA控制时序将数据经由USB接口传送至上位机进行显示.虽然在任意时刻FPGA只能控制一路信号进行传输,但由于FPGA具有工作频率极高、组成形式灵活,较好的硬件逻辑控制能力等优点,因此完全可以实现数据的高效实时采集与显示.
2. 系统关键硬件模块电路设计
2.1 模拟信号调理电路
由于经传感器转变的模拟电量信号比较微弱,所以引入模拟信号调理电路的目的主要是用来对这些模拟电信号进行隔离、变换、放大、滤波等各种处理,以满足模数转换对输入电平和信号质量的要求,信号调理电路如图2所示.
2.2 模拟开关电路
经调理电路输出的信号到达多路模拟开关,再经由FPGA提供控制信号选通其中的一路信号,本设计中多路模拟开关选用的是由Analo g Dev ices 公司生产的AD7503.AD7503 有一个使能端口EN 和3 个地址选通端口 该芯片由FPGA 的4 个IO口控制.
2.3 AD转换电路
信号经模拟开关选择后进行AD转换,为了实现宽范围的模拟量高精度的实时采集,克服目标信号较多的问题,本系统选用由美国Burr - Brow n 公司设计生产的ADS774 作为AD 转换芯片.芯片最大转换时间不超过8.5μs , 最大功耗小于120 MW, ADS774 能与大多数微处理器系统或数字系统相连接, 可由微处理器控制其工作, 该也可经R/C输入运行在完全独立的工作模式下,ADS774支持双极性输入, 且信号输入可选的电压范围有4种, 分别为 0～10V、0～20V、 -5～5V、- 10～10V, 输出数字量为12位或8 位.
2.4 USB接口电路设计
为了实现FPGA处理后数据的上报,采用了USB接口实现FPGA与上位机之间的数据通信.本设计采用了Cypress公司的USB2.0的集成微控制器CY7C68013.该芯片具有控制传输、中断传输、块传输和同步传输4种传输方式.
3. 系统软件设计
本设计是在 Quartus 编译环境中完成FPGA 的设计, 采用Verilog HDL 硬件语言进行描述, FPGA 选用Cyclone EP1C6Q240C8 作为数据处理器.
工作流程：
（1）当系统开始通电以后,首先是对FPGA的初始化处理.
（2）FPGA控制信号选择摸一个通道,当进行数据采集时,模拟开关的使能端被设置为0,若达到循环的通道选择可以用FPGA的分频信号来实现.
（3）进行模数转换并且使R/C端口信号为低电平有效,在有效状态下读取数据并存储数据.
（4）为了减少信号中的震荡干扰和周期性脉动的影响,设计采用滑动算数平均值滤波方式对锁存器内的信号量进行滤波处理,待处理完以后存放在寄存器中,便于上位机的读取.
4. 结束语
基于FPGA的多通道数据采集系统可实现8通道的数据采集,该系统利用FPGA作为控制核心,具有硬件结构简单、数据采集和处理速度快,采集精度高等优点,在恶劣的煤矿生产条件下,有很好的可靠性和应用价值.
【参考文献】
［1］马明建.数据采集与处理技术[M].西安：西安交通大学出版社,2005.
［2］周润景,苏良碧．基于Quartus 的数字系统Veri log HDL设计实例详解[M]．北京：电子工业出版社,2010.
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［4］刘凌.数字信号处理的FPGA实现[M].北京:清华大学出版社,2006.
［责任编辑：孙珊珊］
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放大电路引用文献:
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