郑 勐 王旭柱

(1.中国海洋大学信息科学与工程学院通信与信息系统，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学信息科学与工程学院电子系，山东 青岛 266100)

1 引言

随着科学技术的发展及数据采集系统的广泛应用，对数据采集与信号处理系统提出了越来越高的要求。传统方法通常采用单片机或者DSP作为核心芯片,由于单片机的时钟频率相对较低，运行软件的时间占采用时间很大的比例，很难适应高速采集系统的要求。DSP运行速度虽然快，但是不能够完成外围的硬件逻辑控制。FPGA时钟频率相对比较高，延时小，因而可以完成高速数据的采集、缓冲和传输控制。USB接口具有热插拔、速度快和外设容量大以及便携等特性。本文设计并实现了此款便携式高速、高精度数据采集系统。

2 系统硬件结构

FPGA芯片采用Xilinx公司的Spartan3E系列中的XC3S1600E，该芯片的具有系统门数为150万门，分布式RAM容量231K，块RAM容量648K，专用乘法器数量为36，DCM数为8，最大可用I/O及最大差分对数分别为376和156。ADC采集模块采用了TI公司的具有Ref引脚和伪双极全差动输入的16位2MSPS并行ADS8412。用以实现16bit的A/D分辨率及大于1MHz的A/D转换频率的双通道并行数据采集与处理。

该系统可完成两路中频信号的采样处理，单路信号加入到到模数转换器中，ADS8412将模拟信号转换为16bit的数字信号。通过FPGA的地址译码分时选通AD1和AD2实现双通道的由AD到FPGA内部FIFO模块的。相应的信号处理算法在FPGA内部模块中实现。系统总体结构框图如下：

3 模拟ADC的选取

本系统采用的ADC芯片是德州仪器公司推出的一款2Msps采样速率的16位逐次逼近模数转换器ADS8412。该ADC芯片带有内部时钟和基准电压源，无丢失码，2MHz采样频率时的功耗为175mW，SNR为90dB。有16位和8位可选择接口，本系统设计采用16位的总线输出，转换时钟由芯片内部产生，360ms的转换时间可保护2MHz的数据吞吐，模拟输入信号由+IN和-IN两个引脚提供。

4 FPGA以及外围芯片电路配置

Spartan-3E是Xilinx在Spartan-3基础上，针对用户对更低成本的需要推出的一款性价比较高的FPGA，主要满足要求有效逻辑和大量资源的逻辑集成、DSP协处理器和嵌入式控制等应用。由于该系统约需要800K存储空间，因此选择XC3S1600E这一款的芯片，芯片的各个内核时钟信号均是利用DCM来实现。配置方式采用主并行配置方式，FPGA驱动PROM CLK。

5 USB接口电路结构

USB2.0接口芯片采用CY7C680132。该芯片将一个增强型 8051内核、智能 USB串行接口引擎、USB收发模块、存储器、串行口等部件集成在一起，减少了芯片的接口时序，使其易于操作。USB接口结构框图如下：

6 数据采集与处理流程

由于本系统应用中要求对两个通道中的数据采取不同处理方式。AD1采集荧光信号，AD2采集多普勒信号。当系统启动后两个通道同时进行进行2K的数据循环采样，于此同时对AD1中的数据进行50个连续数据累加检测，当连续50个数据的和大于事先设置好的触发门限时，两个通道都开始进行6K数据的采样，由于保存了触发前的两个通道的2K数据，所以最后两个通道中的数据都为8K，最后对AD1中的8K采样信号求最大值和最小值，计算出中间值，通过对AD1中的数据与中间值进行比较得到其下标地址，进而计算出脉冲中间值的宽度。在AD2中对采集的8K数据进行快速傅里叶变换得到其频谱，最后将以上计算后得到的数据上传到主机进行显示。

结束语

本文主要介绍了基于芯片FPGA XC3S1600E的USB接口数据采集系统，通过了以上工作开发了适用于中频速度的具有广泛适应性的数据采集系统。该系统的创新之处在于将FPGA的高速数据处理与USB接口器件的高集成度及便携等特点有机结合。主要应用于基于激发荧光和激光多普勒技术的浮游植物粒径分布现场在线监测系统中的数据采集与处理部分，在实际应用中根据执行任务不同可以随时更换软核模块，增强了系统的灵活性。

[1]吴振宇，常玉保，冯林.基于FPGA和USB2.0的高速数据采集系统.仪器仪表学报，Vol.27No.6June.2006.

[2]Fast Fourier Transform Data Sheet.Xilinx.Inc.2003.

[3]皮代军.基于FPGA的高精度实时数据采集系统设计.贵州大学，2010.5.

[4]周俊容.高速数据采集系统.电子工程师，2005.5.

[5]田耘，徐文波，胡彬.XilinxISEDesign Suite10.xFPGA开发指南--逻辑设计篇.人民邮电出版社，2008年11月.

[6]薛小刚，葛毅敏.Xilinx ISE 9.X FPGA/CPLD设计指南.人民邮电出版社，2007年8月.