摘要: 介紹了一個基于FPGA 的多通道信號采集電路。該電路以FPGA 芯片XC3S400 作為電路的主控制器，采用電子開關ADG708 對7 路信號進行了循環采集，使用AD7667 作為模數轉換器，由主控制器FPGA 控制，將采集到的模擬信號轉換為數字信號。然后，通過單片機CY7C68013 與上位機通信，將采集到的信號通過上位機軟件讀出并畫圖顯示。通過試驗已驗證了該采集電路的功能的有效性。

0 引言

數據采集是信號處理過程中非常重要的一個環節，現場可編程門陣列FPGA 具有高集成度、高效率、設計靈活以及功耗低等特點，FPGA 以其特有的復雜硬件邏輯控制能力與實時性、同步性被廣泛應用到數據采集存儲系統中［1 － 2］。本設計提出了一種基于FPGA 的多通道數據采集電路的設計方法。主要用來獲取飛行器在飛行過程中的各種飛行參數，供其降落后回收原始數據，通過上位機軟件在PC 機中讀取飛行原始數據并實現原始數據的拆分以及繪圖，供試驗后進行數據分析，從而對飛行器的各項性能進行評估和驗證。

1 硬件電路設計

1． 1 硬件電路的功能

該電路完成記錄儀的采集功能，采集一路直流電壓信號和6 路振動傳感器信號，具體指標如下:
( 1) 直流電壓: 測量范圍: 0 ～ 100V; 精度: 1%; 采樣率: 50kHz。
( 2) 振動傳感器信號: 測量范圍: ± 10g; 精度:1%; 采樣率: 10kHz。

另外，該電路完成與上位機之間的通信，控制整個記錄儀的工作狀態。通過配套的上位機軟件對記錄儀下發各種命令，并將轉換存儲到flash 中的數字信號上傳到上位機供分析。

1． 2 硬件電路的原理

電路工作框圖如圖1 所示，待采集模擬信號經前級調理電路跟隨調理后，主控制器FPGA 控制模擬開
關切換通道，實現了對6 路傳感器振動模擬量以及1路直流電壓的循環采集，FPGA 控制模數轉換器AD7667，將采集到的模擬信號轉換為數字信號并寫入flash 存儲器。試驗后，通過USB2． 0 接口連接到上位機，用上位機軟件對單片機發送讀數命令，將flash 存儲器中的數據讀到上位機顯示并處理分析。圖1 中虛線部分為多通道采集控制模塊。

2 功能模塊化設計

對于一個復雜的系統，其功能具有多樣化，一般要求硬件設計采用功能模塊化的設計方法。把一個系統根據其功能的不同分解成多個模塊，各模塊具有相對獨立性，而局部范圍之間存在一定聯系，有助于系統設計、調試以及維護，又易于功能的擴展［3］。該電路設計過程中，主要功能模塊有采集記錄功能模塊和USB 接口模塊。其中，采集記錄模塊是整個電路的核心，主要任務是采集待測信號、上傳數據和控制其它電路。

2． 1 采集記錄模塊

2． 1． 1 采集模塊設計
采集記錄模塊主要完成2 個三軸振動傳感器( 共6 路) 和1 路直流電壓信號的采樣、編幀和記錄，原理框圖如圖2 所示。

直流電壓信號的測量范圍為0 ～ 100V，跟隨前需要進行分壓，將輸入芯片AD824 的電壓控制在0 ～3V，并用線性光耦HCNR201 進行電氣隔離，最后將電壓范圍調理到模擬開關ADG708 的模擬輸入電壓范圍0 ～ 5V。調理電路如圖3 所示。

6 路傳感器信號進入電路后，經過放大器AD824跟隨調理輸出的信號與調理后的直流信號一起進入模擬電子開關ADG708，ADG708 由FPGA 控制，A0、A1、A2 地址線決定選擇一路信號輸出，輸出信號經AD8031 跟隨后，增加了驅動能力，被AD7667 采樣。采樣字長為16 位，采集編幀后的數據存儲到flash 存儲器。采集電路設計如圖4 所示。

2． 1． 2 AD7667 模塊
AD7667 很容易被驅動，在本電路設計中采用AD8031 作為驅動器來增強信號的驅動能力，輸出的信號被送入AD7667 進行轉換。R48、C75 等阻容值采用AD7667 推薦值。

FPGA 控制AD7667，進入采集狀態后，先啟動AD7667 轉換，轉換完成后，以并行方式輸出數據。在硬件電路設計上，為節約FPGA 的I /O 資源，降低硬件成本，轉換得到的16 位的高精度數據以高8 位( byte = 1) 和低8 位( byte = 0) 分時從AD7667 的AD［7: 0］輸出［4］。

2． 1． 3 FPGA 模塊
該電路設計采用的FPGA 是XC2S400，該芯片有豐富的輸入輸出管腳和宏單元，通過VHDL 語言編程實現硬件邏輯功能，可以反復修改和擦除。

為了克服數據寫入FPGA 和讀出的速率不一致，此電路在FPGA 內部構建容量為2kB 的FIFO存儲器，具有數據緩沖的功能［4 － 5］。實際調試過程中得到，2kB 容量的大小遠遠大于該時段內所能送來的最多數據量，這樣就避免了溢出而造成的數據丟失。

FPGA 控制電路采集模擬信號，經過模數轉換器轉換后得到連續的數字信號，并將其寫入FIFO 緩存中。FPGA 實時檢測緩存器FIFO 的半滿信號，每檢測到該信號有效后，才開始從緩存器中讀取數據并轉發到flash 存儲器，當讀數速率較快并檢測到FIFO半滿信號無效時，停止讀數。這樣重復操作，實現數據的連續采集［6 － 8］。

2． 2 USB 接口模塊設計

USB 接口模塊是記錄儀和上位機的通信接口，采用USB2． 0 high speed 標準協議，主要實現數據以及命令的上傳和下傳。

如圖5 所示，接口模塊由USB 物理接口、USB 單片機、配置PROM 組成，該電路通過USB 接口模塊發送擦除、記錄、讀數等命令，USB 單片機解析各種命令，并通過邏輯控制以及背板轉發給記錄儀的其它板卡電路。

3 試驗結果

3． 1 測試試驗

為驗證該電路的采集功能，采用信號源輸出的正弦波為待采集信號，提供6 路模擬信號。設置待測信號為正弦波，峰峰值為5V，零位為2． 5V，保證輸出信號在0 ～ 5V 范圍內。采用電源的輸出為直流電壓，范圍應為0 ～ 100V，設置待采直流電壓為80． 6V。應用上位機軟件通過USB 接口控制電路，進行數據采集、讀數、數據分析并繪圖，驗證此電路采集功能的正確性及準確性。

用USB 數據線將電路與上位機連接，點擊“連接設備”、“復位設備”分別在軟件提示區顯示“連接USB 設備: 成功”，“設備復位: 成功”然后，啟動設備進行數據采集，采集適當的時間后，本試驗采集了15min 后，進行設備讀數，分析回讀數據。分析數據無誤后進行繪圖，采集得到的信號如圖6 所示，6 路正弦信號輸出波形一樣，為顯示清晰，圖中只顯示了其中三路的信號波形。

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結合圖6 和表1 可以得出，該多通道采集電路可正確實現信號的采集，并具有相當高的準確度。此外，該電路還做了溫循試驗，試驗表明，此電路在高溫+ 60℃及低溫－ 40℃也可保持很穩定的采集性能。

4 結束語

設計了多通道采集電路并可以通過USB2． 0 接口與上位機通信，從上位機獲得采集到的數據，供地面人員對原始數據進行研究，從而指導實際應用。試驗驗證了此電路功能的可實現性及精確性。