发布时间 : 星期三 文章基于FPGA和STM32的数据采集系统设计更新完毕开始阅读dbd25a79ff00bed5b9f31d69
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1 绪论
1.1虚拟仪器的背景
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现在客户对于测试的需求越来越大。随着创新的步伐越来越快，希望更多具有竞争力的新产品更快投入市场的压力也越来越大。消费者的期望在不断地增高。以电子市场为例，消费者要求不同的功能可以更低的成本在一个更小的空间得到集成。近年来经济的低迷并没有阻止革新的需要，但是却要求使用更少资源。满足这些需要是商业成功的一个因素——能够快速、一贯并且最可靠地满足这些需要的公司一定能在竞争中占有决定性的优势。所有这些条件都驱使着对新的验证、检验和生产测试技术的高要求。一个能与创新保持同步的测试平台不是可有可无的，而是必需的。这个平台必须包含具有足够适应能力的快速测试开发工具以在整个产品开发流程中使用。产品快速上市和高效生产产品的需要要求有高吞吐量的测试技术。为了测试消费者所要求的复杂多功能产品需要精确的同步测量能力，而且随着公司不断地创新以提供有竞争力的产品，测试系统必须能够进行快速调整以满足新的测试需求。
虚拟仪器是应对这些挑战的一种革新性的解决方案。它将快速软件开发和模块化、灵活的硬件结合在一起从而创建用户定义的测试系统。
模拟式仪器是指针式的，它基于电磁原理进行测量；数字式仪器则适应了快速响应和高精度的要求，将对模拟信号的测量转化成为对数字信号的测量来显示测量结果；智能化仪器仪表则运用了微处理器芯片，通过将程序固化在ROM中以及将测量结果储存在RAM中自动完成各种测量功能。它的功能模块全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，相对虚拟仪器而言，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟示波器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革。
虚拟示波器的出现改变了原有的示波器的整体设计思路，用软代替了硬件。将传统仪器由硬件实现的数据分析与显示功能能，改由功能强大的微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不同方式（如数据、图形、图表等）表示测量结果，完成各种规模的测量任务。并具有存储、再现、分析、处理波形等特点，而且体积小，耗电少的功能。
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1.2 虚拟仪器的发展现状
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虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司（NI公司）为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯福坦大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线，以及已经被PC机广泛采用的USB串行总线和IEEE1394总线（即Fire wire，也叫做火线）。世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了
大量的软件以及适应要求的硬件（插件），可以灵活的组建不同复杂程度的虚拟仪器自动检测系统。传统仪器有复杂的工艺问题和知识产权问题，发达国家的传统仪器市场已具有相当规模。而虚拟仪器是一个全新的领域，大力发展虚拟仪器技术可以略过传统仪器的发展阶段，迅速进入虚拟仪器发展阶段，与国外大公司处于同一起跑线，形成跨越式发展。目前，虚拟仪器技术在中国越来越受到人们重视，研究高潮方兴未艾，应用范围越来越广，虚拟仪器技术必然会有突飞猛进的发展。
1.3 选题目的和意义
1.3.1 选题目的
（1）培养毕业生综合运用所学专业知识解决实际问题的能力； （2）使毕业生初步掌握开展科学研究的工作步骤和基本方法；
（3）培养毕业生正确表达技术路线和研究成果的能力（写作和口头表达）； （4）初步培养毕业生探索科学技术前沿问题的兴趣； （5）掌握虚拟示波器开发过程 1.3.2 选题意义
传统示波器是由仪器厂家设定并定义好功能的一个封闭结构，它有特定的输入输出和仪器操作面板，具有波形显示、参数测量等功能。当要实现更多的测量功能时，就要配置更多的仪器，这给用户的使用带来很多的不便，并且传统示波器的测量精度比较低，无法满足高精度的测量要求，而且传统的示波器缺乏相应的计算机接口，配合数据采集及数据处理比较困难。此外传统示波器比较庞大，制造成本比较高，这就增加了测量系
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统的开发成本。
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虚拟示波器的出现改变了原有的示波器的整体设计思路，用软件代替了硬件。将传统仪器由硬件实现的数据分析与显示功能能，改由功能强大的微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不同方式（如数据、图形、图表等）表示测量结果，完成各种规模的测量任务。并具有存储、再现、分析、处理波形等特点，而且体积小，耗电少的功能。
虚拟示波器携带方便，应用灵活，可以根据自己的应用重新更新仪器的功能。利用虚拟示波器所做的任何测量，都是归结为对电压的测量。虚拟示波器可以测量各种波形的电压幅度，既可以测量直流电压和正弦电压，又可以测量脉冲或非正弦电压的幅度。更有用的是它可以测量一个脉冲电压波形各部分的电压幅值，如上冲量或顶部下降量等。这是其他任何电压测量仪器都不能比拟的。虚拟示波器可以测量信号的频率。通过采集的信号进行存储后，利用处理器对数据提取并处理，计算出信号的频率以及周期等。
1.4 论述内容
设计一种基于FPGA和STM32的虚拟数据采集系统，实现现场数据的采集、传输和存储。数据采集和处理过程主要由三部分构成：（1）由前级放大电路进行信号的调理，对数据衰减或放大来满足AD转换的要求；（2） AD转换部分由80MHz的AD转换芯片进行模拟到数字信号的转换；（3）控制和数据处理部分采用两种方案：① 由FPGA控制，采用Verilog HDL语言设计FIFO缓冲数据区和FIFO、AD转换的时钟分频电路，通过USB芯片CH372将采集数据传输给上位机进行进一步处理，另外还有前级放大倍数的控制和AC/DC选择也可以由FPGA控制，FPGA接受上位机传来的指令分析判断后输出相应的放大倍数控制电平和AC/DC选择电平；② 在STM32中实现数据处理、传输以及放大倍数和AC/DC的选择，并在PC机中开发上层数据管理软件，实现数据的显示、存储并能给单片机和FPGA发送指令。电路设计方法简单、可靠性高，能满足实际应用的要求。
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2 系统方案设计
2.1 虚拟示波器设计要求
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（1）分析虚拟示波器的国内外发展概况与发展趋势，并对现有的几种虚拟示波器的优缺点进行分析，确定本课题所研究系统的技术类型，为课题的进一步研究工作奠定基础;
（2）分析当前流行虚拟示波器方案优缺点的基础上，确定系统的总体设计方案，掌握虚拟示波器的原理；
（3）在系统总体设计方案的基础上，通过调研，了解目前市场上各种芯片的性能，根据实际市场供需状况综合考虑性能、价格等因素，选择满足实际系统需要的各种芯片，进行系统硬件部分的具体设计，主要包括电源模块、前级处理模块以及主控模块的电路原理图设计;
（4）设计虚拟示波器单片机和FPGA的软件。在系统硬件平台的基础上，进行系统软件部分的设计，应用KEIL开发工具进行单片机STM32的程序设计及优化，应用quartus Ⅱ开发工具进行FPGA模块的程序设计;
（5）系统测试与分析，对系统测试；
2.2 实验原理及设计基本思路
2.2.1 工作原理
虚拟示波器的出现改变了原有的示波器的整体设计思路，用软代替了硬件。将传统仪器由硬件实现的数据分析与显示功能能，改由功能强大的微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不同方式（如数据、图形、图表等）表示测量结果。
一个典型的虚拟示波器原理框图如图2.1所示，它的工作过程一般分为存储和显示两个阶段，在存储工作阶段，模拟输入信号先经过适当的放大或衰减，然后经过取样和量化两个过程的数字化处理，将模拟信号转化成数字化信号，最后，数字化信号在逻辑控制电路的控制下一次写入到FIFO中，FIFO缓存器是用FPGA芯片采用硬件编程语言编写异步FIFO缓存器，工作频率比专用FIFO芯片高许多，并且性能稳定。FIFO采用8Bit数据宽度。对于高频信号和脉冲信号应用FIFO存储工作模式，低频信号用实时工作模式。