基于FPGA的高速数据采集处理系统的设计与实现 (2)
致 谢 . 48
参考文献 49
1 绪论
1.1 研究背景与意义
“数据采集”是指将温度、流量、压力、位移等模拟量采集转换成数字量后，再
由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集处理系统[1]。
随着计算机技术和数字信号处理技术的不断发展，数字设备将逐渐取代模拟设
备，相比模拟设备，数字设备具有方便灵活、精度高、稳定可靠等优点。由于自然界
中存在的均是连续信号，而数字设备处理的是离散数字信号，这就促成了数据采集系
统存在的必要性。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、
监视和记录，为降低成本、提高产品质量提供信息和手段。在科学研究中，应用数据
采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具[2]。
在雷达、通信、气象、地震预报、航空航天等领域里，现场信号有着重要的作用，
这些信号通常具有实时性强，数据量大，数据率高，处理复杂等特点。因而，信号的
高速采集有着举足轻重的作用，它可以构建各类半实物仿真、实物系统；可以为各类
设备的数据处理提供数字信号。 随着数据率的不断提高， 要对高速数据信号进行处理，
通常采用数字化的方法，即将模拟信号转化为数字信号，然后利用先进的数字技术，
用现有成熟的数字信号处理方法处理信号。近年来数字技术的飞速发展，特别是近一
二十年来高速计算机、超大规模集成电路、高性能 ADC 和 FPGA 等器件给数字化实
现提供了可能。另一个原因是数字化信息存储方便，特别是在可靠、大容量的存储体
已不再是价格高昂的奢侈品后。信息一旦能够存储，给信号处理的研究保存了原始数
据，极大地缩短了研究周期，减少了研究费用。因此，高速数据采集处理系统的研究
一直是工程实践中一项倍受关注的领域[3~5]。
1.2 国内外发展现状
随着数据采集处理技术的不断发展，现代数据采集系统越来越呈现出如下特点：
⑴一般由计算机控制数据采集处理系统。这极大提高了数据采集的质量和效率，
同时节省了硬件投资方面的成本。
⑵数据采集系统不单单实现采集过程，可以实现从数据采集、处理到控制的全部
过程，逐渐形成了数据采集与处理系统。 ⑶采集过程一般都要求具有“实时”性，所谓实时就是看能否满足实际的具体需
要。通用型数据采集系统一般都希望其速度尽可能高。
⑷微电子技术的发展， 使数据采集系统具有越来越小的体积， 越来越高的可靠性。
⑸总线技术越来越多地应用于数据采集系统中，对其结构的发展起着重要作用。
数据采集系统的总体趋势是往高速高分辨率发展，但由于受到器件和工艺限制，
实现真正的高速高分辨率还是有很大困难，因为数据采集系统核心部分 ADC 的两个主
要指标， 即采样速率和分辨率本身是一对矛盾。 目前， 数据采集系统在高速ADC和DAC
器件发展的带动下，采集带宽逐步提高，具有 100MSPS 以上采集能力的高速数据采集
产品己经很成熟，国外的采集水平甚至可以达到几十 GSPS，国内目前还没有很高水平
的采集器。国外厂商生产的高速采集系统一般都价格不菲，虽然国内有些厂商也具备
开发高速数据采集产品的能力而且价格较国外相关产品低廉，可是由于高速数据采集
对高速 PCB 布线、信号完整性、信号干扰以及实时存储的要求极高，国内完全掌握该