基于FPGA与USB2.0的数据采集与实时处理系统的设计与实现

摘要

在数据检测与分析等领域中,数据采集与处理系统得到了广泛的应用,FPGA作为发展迅速的可编程逻辑器件,在数据采集与处理方面正在发挥越来越大的作用,甚至在某些速度高、运算量大的应用方面已经取代了DSP芯片。本系统以FPGA芯片为核心芯片,控制各个部分的工作以及进行数据的分析处理,以USB2.0为接口完成系统与计算机之间的数据传输。
　　本文对系统中所涉及到的模数转换器,FPGA芯片以及USB接口芯片都进行了详细的介绍,利用PROTEL DXP软件绘制了系统的硬件电路原理图以及PCB版图。同时介绍了在Xilinx公司提供的FPGA开发平台ISE,并在该软件中利用Verilog HDL语言以及其自带的IP核设计出各个功能模块,并对各个功能模块进行仿真验证,同时也介绍了USB2.0接口芯片的固件程序以及上位机应用程序。
　　本篇文章介绍的系统主要针对的是课题“海水中浮游植物粒径分布和浓度现场在线监测系统”的数据采集与实时处理部分,该系统的采样频率在5M以下,主要采集荧光信号和多普勒信号,其具体的工作过程为:被测信号进入运算放大电路进行处理,然后进入模数转换器,模数转换器在FPGA的控制下将模拟信号转换为数字信号,FPGA把该数字信号读入内部进行分析处理,最后将经过分析处理的数据通过USB接口输出到计算机中并显示。
　　为了克服水下浮游植物运动不规律的缺点,设计中,在FPGA内部生成一个数据触发单元,对采集到的数据进行预触发检测,当数据超过设定的门限后,开始大量数据的存储和处理。系统在进行FFT运算时,利用FPGA内部的FFT IP核,该IP核不仅可以很好的完成对信号的计算,而且缩短了开发的周期。最后,系统使用模拟波形进行测试,并在实际测量中得到了预期的结果,验证了系统具有良好的性能。