基于FPGA和USB2．0的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件由A／D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集與傳輸控制電路和接口電路構(gòu)成。
2．1 A／D轉(zhuǎn)換電路
A／D轉(zhuǎn)換電路是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。由低通濾波器、多路選擇開(kāi)關(guān)和A／D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，如圖2所示。本文選用Maxim公司的A／D轉(zhuǎn)換芯片MAX1425。

8路模擬輸入信號(hào)分別經(jīng)過(guò)由運(yùn)放THS4052構(gòu)成的抗混疊低通濾波器去除高頻成分，防止信號(hào)產(chǎn)生“混疊現(xiàn)象”。1／8模擬信號(hào)選擇器根據(jù)來(lái)自FPGA板的地址碼，控制模擬信號(hào)選擇器74HC4051選通8路輸入中的1路到輸出端，送到A／D轉(zhuǎn)換器MAX1425將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。MAX1425的控制信號(hào)由FPGA板提供，在控制信號(hào)的作用下以適當(dāng)?shù)臅r(shí)序完成轉(zhuǎn)換工作。
2．2 數(shù)據(jù)采集與傳輸控制電路
數(shù)據(jù)采集與傳輸控制電路的開(kāi)發(fā)工作主要集中在FPGA上。FPGA負(fù)責(zé)CY7C68013與ADC芯片之間的緩沖與控制，一邊與ADC接口，另一邊與USB接口，產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集、通道切換、A／D轉(zhuǎn)換、FIFO所需的全部控制信號(hào)；實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的緩存、讀／寫(xiě)控制、時(shí)鐘、輸出使能、端點(diǎn)的選擇，以及對(duì)ADC的控制等功能。
如圖3所示，數(shù)據(jù)采集與傳輸控制電路由FIFO、USB接口控制狀態(tài)機(jī)、ADC接口控制狀態(tài)機(jī)、三態(tài)門(mén)緩沖器、控制寄存器組幾部分構(gòu)成。圖中，由右向左的寬箭頭表示數(shù)據(jù)流；FD[9：0]是與USB接口芯片連接的雙向數(shù)據(jù)總線(xiàn)；由左向右的寬箭頭表示傳送來(lái)自PC機(jī)的控制信號(hào)；單線(xiàn)箭頭表示輸入／輸出，以及FPGA內(nèi)部各個(gè)模塊間的控制信號(hào)線(xiàn)。

從數(shù)據(jù)流向看，數(shù)據(jù)在ADC接口控制狀態(tài)機(jī)的協(xié)調(diào)下通過(guò)ADC接口送入FPGA的FIFO中。經(jīng)過(guò)FIFO的緩沖后，在USB接口控制狀態(tài)機(jī)的協(xié)調(diào)下，當(dāng)USB接口控制狀態(tài)機(jī)對(duì)三態(tài)門(mén)的輸出為高時(shí)，三態(tài)門(mén)開(kāi)啟，數(shù)據(jù)通過(guò)三態(tài)門(mén)傳輸?shù)紽PGA外部的USB接口；當(dāng)對(duì)三態(tài)門(mén)的輸出為低時(shí)，三態(tài)門(mén)呈現(xiàn)高阻態(tài)，F(xiàn)PGA的這幾個(gè)引腳作為輸入引腳。此狀態(tài)下，來(lái)自PC機(jī)的控制信號(hào)通過(guò)CY7C68013從FD[15：0]送人FPGA中。在USB接口控制狀態(tài)機(jī)的控制下，來(lái)自PC機(jī)的控制信息存人控制寄存器組，并由ADC接口控制狀態(tài)機(jī)來(lái)控制送往FPGA外的ADC接口，作為對(duì)ADC的控制(如通道的選擇)。