史籍， 常越， 李海國(guó)

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上?！?00000)

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基于FPGA的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

史籍， 常越， 李海國(guó)

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200000)

介紹了一種基于MachXO2 4000ZE系列的FPGA芯片和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7356的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣率最高可達(dá)到5Msps。系統(tǒng)采用多個(gè)AD芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)多路模擬量的實(shí)時(shí)采集。通過(guò)verilog編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)FPGA芯片對(duì)AD轉(zhuǎn)換的時(shí)序控制。FPGA內(nèi)嵌的雙口RAM作為數(shù)據(jù)緩存器來(lái)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果。通過(guò)FPGA控制單元對(duì)AD轉(zhuǎn)換部分和數(shù)據(jù)緩存部分的控制可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)輸出的同時(shí)執(zhí)行。闡述了系統(tǒng)的構(gòu)成以及各個(gè)部分的工作原理，著重分析了FPGA控制策略和數(shù)據(jù)緩存的實(shí)現(xiàn)，并使用Modelsim仿真軟件進(jìn)行仿真與分析。

FPGA；AD7356；多路采集；A/D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)緩存

0　引　言

在電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)裝置中，多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是重要的組成部分[1]。傳統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在一定的缺陷：每次只能進(jìn)行單通道的AD轉(zhuǎn)換，當(dāng)?shù)贜路信號(hào)轉(zhuǎn)換完畢后才可以進(jìn)行第N+1路信號(hào)的轉(zhuǎn)換[2]，或者數(shù)據(jù)的采集與傳輸不能夠同時(shí)進(jìn)行，這樣造成了轉(zhuǎn)換效率不高的問(wèn)題。傳統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換芯片還具有控制信號(hào)多，控制時(shí)序復(fù)雜的弊端。

在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，由于FPGA集成度高，時(shí)序控制精確，片上資源豐富，可靈活對(duì)其編程,實(shí)現(xiàn)各種邏輯器件功能[3]，因此采用FPGA作為主控芯片。AD轉(zhuǎn)換芯片采用AD7356，該芯片可同時(shí)采集并且轉(zhuǎn)換兩路模擬信號(hào)，運(yùn)用多片AD7356可以對(duì)多路信號(hào)并行采集和轉(zhuǎn)換，提高了AD轉(zhuǎn)換效率；AD7356還可同時(shí)輸出兩路轉(zhuǎn)換結(jié)果，結(jié)合FPGA內(nèi)部的雙口RAM，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)果的緩存和并行讀取[4]。利用系統(tǒng)的工作原理，可將現(xiàn)有規(guī)模的系統(tǒng)擴(kuò)展為擁有更多轉(zhuǎn)換通道數(shù)和轉(zhuǎn)換精確度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率高并具有較好的可靠性，因此確保了繼電保護(hù)裝置準(zhǔn)確、快速地動(dòng)作。

1　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由AD轉(zhuǎn)換單元、FPGA控制單元、數(shù)據(jù)緩存單元、接口電路以及DSP數(shù)據(jù)處理電路組成。

FPGA控制單元接收DSP的啟動(dòng)信號(hào)，并且為AD轉(zhuǎn)換單元和數(shù)據(jù)緩存單元提供時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)[5]。本系統(tǒng)采用的FPGA為L(zhǎng)attice公司MachXO2 4000ZE系列器件，該系列器件采用65 nm閃存工藝技術(shù)，工作電源電壓標(biāo)稱值為1.2 V，支持高達(dá)60 MHz的系統(tǒng)性能，可提供低至19 μW的功耗，擁有4 320個(gè)查找表(LUTs)和34 KB的分布式內(nèi)存(Distributed RAM)。

AD轉(zhuǎn)換單元采用4片AD7356芯片同步工作，AD7356是Analog Devices公司出品的轉(zhuǎn)換精度12位的逐次逼近型ADC，以5 Msps采樣速率工作時(shí)功耗僅35 mW。AD轉(zhuǎn)換單元接收經(jīng)過(guò)調(diào)理電路處理后的交流模擬信號(hào)，每片AD7356可同時(shí)對(duì)兩路差分模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，并且兩路轉(zhuǎn)換結(jié)果可以同時(shí)串行輸出。FPGA控制單元向所有的ADC提供統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)，保證了8路模擬信號(hào)的同步采集和轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)緩存單元由FPGA內(nèi)部的雙口RAM構(gòu)成，通過(guò)IPexpress軟件工具可以任意設(shè)置雙口RAM的數(shù)量和大小。每一個(gè)RAM塊用來(lái)存儲(chǔ)一路信號(hào)的轉(zhuǎn)換結(jié)果[6]，分為A和B兩部分，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果寫(xiě)入到子塊A(B)時(shí)，子塊B(A)輸出上次轉(zhuǎn)換結(jié)果，兩個(gè)子塊交替工作[7]。本系統(tǒng)共設(shè)置8個(gè)雙口RAM塊，分別存儲(chǔ)8路轉(zhuǎn)換結(jié)果。FPGA控制單元向所有RAM塊提供統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)、控制信號(hào)以及使能信號(hào)，因此8路轉(zhuǎn)換結(jié)果被同時(shí)寫(xiě)入到8個(gè)RAM塊的子塊A(B)，并且8個(gè)RAM塊的子塊B(A)內(nèi)的轉(zhuǎn)換結(jié)果被同時(shí)輸出。

DSP數(shù)據(jù)處理電路通過(guò)接口電路讀取緩存后的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，并且對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。同時(shí)，DSP數(shù)據(jù)處理電路給FPGA控制單元發(fā)出系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)。

2　FPGA控制與數(shù)據(jù)緩存的實(shí)現(xiàn)

FPGA控制單元與AD轉(zhuǎn)換單元以及數(shù)據(jù)緩存單元的邏輯連接如圖2所示。

圖2　FPGA與AD7356的邏輯連接圖

2.1FPGA控制單元

FPGA控制單元由兩部分組成：(1) 主控邏輯部分；(2) 通道開(kāi)關(guān)、讀/寫(xiě)操作開(kāi)關(guān)。

圖3　AD7356時(shí)序圖

由于從AD轉(zhuǎn)換單元輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)果在ClockA/ClockB的上升沿之后才可以被寫(xiě)入到數(shù)據(jù)緩存單元，因此CLK需要通過(guò)反相器再輸入到ClockA/ClockB端，在轉(zhuǎn)換結(jié)果被寫(xiě)入到數(shù)據(jù)緩存單元時(shí)要保證WrA/WrB為高電平，因此AD Control信號(hào)需要通過(guò)反相器再輸入到WrA/WrB端。

通道開(kāi)關(guān)以及讀/寫(xiě)操作開(kāi)關(guān)：MUX為一位的寄存器輸出，當(dāng)控制信號(hào)AD Control產(chǎn)生下降沿時(shí)，MUX寄存器加1。

通道開(kāi)關(guān)：當(dāng)MUX=1時(shí)，8個(gè)通道開(kāi)關(guān)選通各自RAM塊的DataInA端；當(dāng)MUX=0時(shí)，8個(gè)通道開(kāi)關(guān)選通各自RAM塊的DataInB端。

寫(xiě)操作開(kāi)關(guān)：當(dāng)MUX變?yōu)?時(shí)，AD Control信號(hào)經(jīng)過(guò)反相器輸入到WrA端，WrA先獲得高電平，加之8個(gè)RAM塊的DataInA端被同時(shí)選通，因此8路轉(zhuǎn)換結(jié)果被同時(shí)寫(xiě)入到各自RAM塊的子塊A，寫(xiě)入完畢后AD Control產(chǎn)生上升沿，因此WrA變?yōu)榈碗娖?不寫(xiě)入數(shù)據(jù)到子塊A)，直到MUX的值再次從0跳變到1時(shí)，WrA才重新變?yōu)楦唠娖?；?dāng)MUX變?yōu)?時(shí)，AD control信號(hào)經(jīng)過(guò)反相器輸入到WrB端，WrB先獲得高電平，加之8個(gè)RAM塊的DataInB端被同時(shí)選通，因此8路轉(zhuǎn)換結(jié)果被同時(shí)寫(xiě)入到各自RAM塊的子塊B，寫(xiě)入完畢后AD Control產(chǎn)生上升沿，因此WrB變?yōu)榈碗娖?不寫(xiě)入數(shù)據(jù)到子塊B)，直到MUX的值再次從1跳變到0時(shí)，WrB才重新變?yōu)楦唠娖健?/p>

讀操作開(kāi)關(guān)：AD Control產(chǎn)生上升沿時(shí)，根據(jù)上升沿時(shí)刻的MUX值判斷輸出子塊A還是子塊B中存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。如果AD Control上升沿時(shí)刻的MUX為1，則從QA端輸出子塊A存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換結(jié)果；如果AD Control上升沿時(shí)刻的MUX為0，則從QB端輸出子塊B存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2.2數(shù)據(jù)緩存單元

一個(gè)RAM塊有兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，分別為DataInA和DataInB，某時(shí)刻只有一個(gè)輸入端輸入數(shù)據(jù)；有兩個(gè)數(shù)據(jù)輸出端，分別為QA和QB，某時(shí)刻只有一個(gè)輸出端輸出數(shù)據(jù)。如果當(dāng)前通道開(kāi)關(guān)選中DataInA(DataInB)，表示在時(shí)鐘信號(hào)CLK的激勵(lì)下，AD7356往子塊A(B)寫(xiě)入轉(zhuǎn)換結(jié)果，在往子塊A(B)寫(xiě)入的同時(shí)，QB(QA)輸出子塊B(A)內(nèi)存儲(chǔ)的上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果供DSP讀取。

子塊A(B)由14位構(gòu)成，用來(lái)存儲(chǔ)一次轉(zhuǎn)換結(jié)果，一個(gè)地址對(duì)應(yīng)一位數(shù)據(jù)。每個(gè)RAM塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)地址寄存器AddressA Counter和AddressB Counter，分別對(duì)應(yīng)子塊A和子塊B。在寫(xiě)入子塊的過(guò)程中，被寫(xiě)入子塊的Wrx(x=A,B)=1，ClockA/ClockB的上升沿(SCLK的下降沿)之后一位數(shù)據(jù)被寫(xiě)入到當(dāng)前地址寄存器指向的存儲(chǔ)空間里，每當(dāng)往子塊里寫(xiě)入一位數(shù)據(jù)后，對(duì)應(yīng)子塊的地址寄存器的值加1；在讀取子塊的過(guò)程中，被讀取子塊的Wrx(x=A,B)=0，ClockA/ClockB的上升沿(SCLK的下降沿)之后輸出當(dāng)前地址寄存器指向的存儲(chǔ)空間里的一位數(shù)據(jù)，每當(dāng)輸出一位數(shù)據(jù)后，對(duì)應(yīng)子塊的地址寄存器的值加1。

當(dāng)?shù)刂芳拇嫫鲀?nèi)的值加到13時(shí)，表示子塊內(nèi)寫(xiě)滿14位的轉(zhuǎn)換結(jié)果或者子塊輸出14位轉(zhuǎn)換結(jié)果，地址寄存器清零，進(jìn)行下一輪讀/寫(xiě)操作。數(shù)據(jù)緩存單元的寫(xiě)操作流程如圖4所示，讀操作流程如圖5所示。

圖4　數(shù)據(jù)緩存單元的寫(xiě)操作流程

圖5　數(shù)據(jù)緩存單元的讀操作流程

3　系統(tǒng)工作過(guò)程

圖6顯示了對(duì)一個(gè)RAM塊寫(xiě)入與讀取的過(guò)程，系統(tǒng)的8個(gè)RAM塊按照相同的節(jié)拍同時(shí)工作。

圖6　一個(gè)RAM塊的工作過(guò)程

圖6中實(shí)線框表示寫(xiě)入數(shù)據(jù)到子塊，虛線框表示讀取子塊內(nèi)的數(shù)據(jù)，框內(nèi)的數(shù)字代表當(dāng)前的地址，打叉的框?yàn)榭臻e區(qū)域(不執(zhí)行寫(xiě)入操作和讀取操作)。t0至t1的時(shí)間長(zhǎng)度為執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)地址的有效時(shí)間，t1至t2的時(shí)間長(zhǎng)度為執(zhí)行讀操作時(shí)地址的有效時(shí)間，兩個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度相同且等于一個(gè)SCLK周期時(shí)間。日字格表示數(shù)據(jù)有效的時(shí)間域，數(shù)據(jù)在日字格的時(shí)間范圍內(nèi)被寫(xiě)入或讀取，日字格的左邊沿代表SCLK信號(hào)的下降沿(ClockA/ClockB上升沿)時(shí)刻。

t3時(shí)刻AD Control產(chǎn)生下降沿，MUX值變?yōu)?，開(kāi)啟對(duì)子塊B的寫(xiě)入操作，在t4時(shí)刻，14位的轉(zhuǎn)換結(jié)果被全部寫(xiě)入到子塊B內(nèi)，AddressB清零；另外在t4時(shí)刻，AD Control產(chǎn)生上升沿，而此刻的MUX=0，因此t4時(shí)刻以后輸出子塊B內(nèi)的轉(zhuǎn)換結(jié)果供DSP讀取，t6時(shí)刻DSP剛好讀完14位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。在對(duì)子塊B執(zhí)行讀取操作的同時(shí)，寫(xiě)入新的轉(zhuǎn)換結(jié)果到子塊A中：在t5時(shí)刻，AD Control產(chǎn)生下降沿，MUX值變?yōu)?，寫(xiě)入新的轉(zhuǎn)換結(jié)果到子塊A，在t7時(shí)刻，14位的轉(zhuǎn)換結(jié)果被全部寫(xiě)入到子塊A內(nèi)，AddressA清零；另外在t7時(shí)刻，AD Control產(chǎn)生上升沿，而此刻的MUX=1，因此t7時(shí)刻后輸出子塊A內(nèi)的轉(zhuǎn)換結(jié)果供DSP讀取，t10時(shí)刻DSP剛好讀完14位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。在對(duì)子塊A執(zhí)行讀取操作的同時(shí)，對(duì)子塊B執(zhí)行寫(xiě)入操作：t9時(shí)刻AD Control產(chǎn)生下降沿，MUX值變?yōu)?，寫(xiě)入轉(zhuǎn)換結(jié)果到子塊B，接下來(lái)的流程與上文講述的相同，兩個(gè)子存儲(chǔ)塊交替工作。

在上述過(guò)程中，t6時(shí)刻子塊B內(nèi)的14位轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取完畢，為了保證DSP能夠可靠地讀取連續(xù)兩次的轉(zhuǎn)換結(jié)果，這時(shí)需要插入一個(gè)空閑段，空閑段從t6時(shí)刻開(kāi)始至t7時(shí)刻結(jié)束，持續(xù)時(shí)間為一個(gè)SCLK周期時(shí)間長(zhǎng)度，在空閑期間，雖然仍然有一位數(shù)據(jù)從子塊輸出，但是DSP視其為無(wú)效數(shù)據(jù)，直到t7時(shí)刻開(kāi)始再次讀取子塊A內(nèi)的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；同理，在t7時(shí)刻，14位轉(zhuǎn)換結(jié)果全部寫(xiě)入到子塊A內(nèi)，為了保證可靠地寫(xiě)入連續(xù)兩次的轉(zhuǎn)換結(jié)果，這時(shí)需要插入一個(gè)空閑段，空閑段從t7時(shí)刻開(kāi)始至t8時(shí)刻結(jié)束，持續(xù)一個(gè)SCLK周期的時(shí)間長(zhǎng)度，在空閑期間，WrA=WrB=0，不寫(xiě)入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩存單元，t8時(shí)刻開(kāi)始再次寫(xiě)入數(shù)據(jù)到子塊B。

通過(guò)分析系統(tǒng)工作過(guò)程看出，每一個(gè)子塊按照：寫(xiě)-讀-空閑2個(gè)SCLK周期-寫(xiě)-讀-空閑2個(gè)SCLK周期……的節(jié)拍工作。對(duì)一個(gè)RAM塊的寫(xiě)操作執(zhí)行過(guò)程是：寫(xiě)入轉(zhuǎn)換結(jié)果-空閑一個(gè)SCLK周期-寫(xiě)入新的轉(zhuǎn)換結(jié)果-空閑一個(gè)SCLK周期……對(duì)一個(gè)RAM塊的讀操作執(zhí)行過(guò)程是：讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果-空閑一個(gè)SCLK周期-讀取新的轉(zhuǎn)換結(jié)果-空閑一個(gè)SCLK周期……連續(xù)兩次寫(xiě)操作或讀操作之間只有一個(gè)SCLK周期的時(shí)間間隔。

4　系統(tǒng)仿真

根據(jù)設(shè)計(jì)，在Modelsim 10.1a軟件中進(jìn)行仿真，圖7為正在工作著的系統(tǒng)中某個(gè)RAM塊的時(shí)序仿真圖。圖中顯示的部分對(duì)子塊A執(zhí)行讀-寫(xiě)-讀操作，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分別為：00 011010011001、00 011011000010、00 011011000010；對(duì)子塊B執(zhí)行寫(xiě)-讀-寫(xiě)操作，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分別為：00 100110011100、00 100110011100、00 001100110011。

圖7　正在工作的RAM塊的時(shí)序仿真圖

從仿真波形上看出，在FGPA的時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)的作用下，可以有效地寫(xiě)入轉(zhuǎn)換結(jié)果到RAM塊，并且RAM塊能夠正確輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果供DSP讀取。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文采用了FPGA芯片為主控制器，對(duì)8路模擬信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采集，通過(guò)FPGA芯片內(nèi)部的RAM對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行緩存，利用每個(gè)RAM塊有雙通道的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)寫(xiě)入與讀取的同時(shí)進(jìn)行，提高了系統(tǒng)工作效率。由于IPexpress軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA內(nèi)部RAM的大小與數(shù)量的任意設(shè)置，因此當(dāng)實(shí)際需要測(cè)量的交流電壓、電流信號(hào)的數(shù)量增多時(shí)，或者對(duì)測(cè)量結(jié)果的精確度提出更高的要求時(shí)，本系統(tǒng)可升級(jí)為擁有更高精確度與通道數(shù)的AD采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。本方案設(shè)想與系統(tǒng)的仿真結(jié)果一致，證明了系統(tǒng)的可行性。

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Design of the FPGA-based Multichannel Data Acquisition System

SHI Ji, CHANG Yue, LI Hai-guo

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200000, China)

This paper presents a multichannel data acquisition system based on MachXO2 4000ZE series FPGA chip and A/D conversion chip AD7356, with a sampling rate up to 5 Msps. The system adopts several AD chips to achieve real-time acquisition of multichannel analog quantity. Verilog programming language is used to realize FPGA chip’s timing control over A/D conversion. FPGA- embedded dual-port RAMs are used as data caches to store conversion results. Data acquisition and data output are performed simultaneously through FPGA control unit’s control over A/D conversion section and data caching section. Furthermore, this paper describes the structure of the system and the principle of each part, analyzes the FPGA control strategy and realization of data caching, and uses Modelsim simulation software for simulation and analysis purpose.

FPGA; AD7356; multichannel acquisition; A/D conversion;data caching

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.006

TP930.12

A

1000-3886(2016)01-0015-04

史籍(1990-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。常越(1959-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，工學(xué)博士，副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制與特種電源研究；李海國(guó)(1990-)，男，重慶人，碩士生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的研發(fā)。

定稿日期: 2015-11-19