基于FPGA的多路模拟量、数字量采集与处理系统

在现代电气测控系统设计中，多路模拟量和数字量的采集与处理是非常关键的功能。传统设计往往使用单片机或控制型DSP来完成这类任务，但随着信号量的增多，这些常规MCU的资源往往显得捉襟见肘。尤其是在需要处理大量信号时，采取多MCU联机处理模式或扩展其他芯片资源，不仅增加了成本和复杂性，还会降低系统的可靠性。 针对这一问题，本文提出了一种基于FPGA技术的解决方案。FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种可以通过编程来实现用户定制电路功能的半导体器件。其具备的并行处理能力和现场可编程性，使得它非常适合用于信号量庞大的数据采集与处理任务。 FPGA的内部资源可以划分为四个主要部分：FPGA逻辑运算中心、A/D控制单元、数字量监测控制单元和FPGA接口逻辑控制单元。 FPGA逻辑运算中心负责接收来自各部分的数据，并根据程序设计中的方案对数据进行分析处理。这部分工作包括但不限于对接收自MCU的数据指令进行分析并执行，对来自A/D采样的数据进行FFT分析、有效值计算等，以及对数字量信息数据进行判断处理，并根据CPU指令输出相应的数字量。 A/D控制单元主要负责外部A/D芯片和多路开关的时序控制。由于FPGA内缺少丰富的外设控制资源，A/D控制需要通过软件模拟来实现各种控制资源，并配以合理的软件控制时序，以保证采样过程的顺利进行。 数字量监测控制单元负责所有需要监视和控制的数字量状态数据采集和控制命令输出。这部分同样需要通过软件来模拟实现对数字量的管理控制。 FPGA接口逻辑控制单元则是在FPGA内部设计的模块，用于与外部MCU接口。这样做虽然占用了一定的内部资源，但鉴于一般的工程系统中不仅仅包含信号的采集控制，还可能涉及通信、显示和复杂算术运算等功能，考虑到系统的通用性，因此增加了与外界MCU接口的单元。 系统使用了Xilinx公司的Spartan-II系列FPGA芯片XC2S100-5PQ208。这款FPGA芯片具有丰富的I/O口资源和较高的工作频率。其内核供电为2.5V，最高工作频率可达200MHz；I/O端口供电电压为3.3V，能承受5V输入高电平。它的I/O口输出缓冲器能够接收高达24mA的拉电流和48mA的灌电流。此外，FPGA内部资源的分配需要合理规划，以确保各个单元能够高效运行。 外围电路设计中，交流模拟量的采集采用了BB公司的ADS774 A/D芯片，并使用4051的多路开关来选择不同的交流量输入。交流信号在进入ADS774之前需要通过信号调理电路，以适应ADS774芯片的要求。 FPGA实现的交流量采样处理控制软件由五个部分组成，主要由三组与A/D采样有关的16位指令寄存器组：A/D参数寄存器（ADPR）、输出控制寄存器（ADOR）和A/D控制寄存器（ADCR）。这些寄存器组的配置能够控制A/D采样的点数、时钟频率以及信号的频率等关键参数。 总结来说，基于FPGA的多路模拟量、数字量采集与处理系统，具有高可靠性、低成本和简单外围电路设计的优点。其系统设计与实现需精心规划FPGA的内部资源划分，并需要充分考虑系统在实时采集、数据处理、控制指令输出以及与外部MCU交互等方面的需求。通过合理设计，可以构建一个高效、灵活且具有良好扩展性的电气测控系统。