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数据采集系统是计算机与监控对象之间的桥梁，是人们获取数据信息的重要途径[3]。随着生产制造过程的自动控制系统日趋复杂、科学实验数据采集规模更加庞大，功能完善、技术先进的数据采集系统被越来越多的使用。
当前，可编程逻辑技术已经发展成一种应用领域的关键技术。现场可编程门阵列（FPGA）是在可编程器件的基础上发展的产物，它具有门阵列器件的高集成度和可编程逻辑器件的灵活性[4]。FPGA可以胜任大部分数字器件完成的功能，从简单的与非门，到复杂的信号处理模块。设计者可以使用通用的硬件描述语言或图形化设计方法设计所需要的数字系统，并可以在设计完成后进行功能验证仿真。即使在PCB完成以后，设计者利用FPGA的在线自改功能，在不改动硬件电路的前提下优化设计。使用FPGA技术实现数字电路系统可以大幅度缩短设计时间，减少电路板面积，提高系统的灵活性和可靠性。FPGA技术的众多优点使其在20世纪90年代后得到了飞速的发展，同时也大大推动了数据采集技术的进步，因此FPGA在数据采集系统中已经被广泛地应用。
多通道同步数据采集系统是当前数据采集技术研究的热点问题。与普通单片机和DSP相比，FPGA在多通道同步采集领域具有明显的优势[5]。若采用多个单片机并行的方式，则又造成了系统的复杂、高功耗、体积大等缺点。同时，单片机由于受到指令周期以及处理速度等方面的限制，难以对多个通道 A/D组成的阵列进行控制。DSP虽然可以实现较高速的数据采集，但其速度提高的同时，也增加了系统的硬件成本。FPGA能有效地克服单片机和DSP的上述缺点，它的全部控制逻辑均由硬件完成，具有时钟频率高、内部延时小、编程配置灵活等优点。
因此，本课题拟设计一种基于 FPGA的多通道同步采集系统，利用超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)实现语言编程。硬件使用单片现场可编程门阵列（FPGA）控制多片模/数转换器，设计出16通道数据同步采集系统。并将采集到的数据转换成相应格式发送给后端数据处理模块。根据设计原理图制造出实体系统，将其用于模型实验中，验证其适用可靠性。本研究的主要特点是减少外围芯片的使用，可以有效地降低产品成本和减少采集系统的研发周期。
1.2 国内外研究现状和发展方向
1.3 课题研究内容和工作安排
根据课题的设计要求对模数转换器进行选型，与FPGA芯片组成16路同步采样系统，在FPGA内建立的FIFO存储空间，采用乒乓操作，设计数据转换接口将数据输出。为了满足不同数据格式的接收和传输，FIFO的前端和后端还应设计出串/并转换接口。由于需要采用多片模数转换芯片，FPGA作为控制器需要协调各ADC的工作状态，提高数据采集效率。
采用VHDL语言设计数据采集系统软件部分的功能。在FPGA芯片内运行VHDL语言编写的ADC控制程序，实现对ADC的控制和多通道同步的数据采集，利用FPGA丰富的I/O资源配置驱动ADC芯片。根据各主要芯片的特性，确定数据格式和接口设计。
硬件电路设计采用Altium Designer进行仿真和印制电路板绘制。使用Quartus内部集成的Signaltap II进行硬件系统测试。在电路设计当中还应充分考虑电磁干扰和电磁兼容问题，以提高系统的精度和分辨率[10]。
2 数据采集系统结构设计
2.1 多路采集模型
多路数据采集方法主要有两种：
（1）使用多路复用开关和单片模数转换器，如图2.1所示。这种方法中，多路模拟信号分别通过多路复用器选通至模数转换器。这种法外围电路设计比较简单，但是要求模数转换器速率较高，一般多路复用器开关时间相对较长，难以达到采样速率要求。