FPGA高速数据采集与处理系统设计+源程序(2)
常用的数据采集设备为计算机和专用处理器。计算机性能稳定、处理能力强，主要应用大型试验室和理论研究方面。微型计算机的普及应用，更是使得数据采集系统有了长足的发展，结合数字信号处理理论和PC技术对大规模数据信息进行高频、快速的处理已经成为一种主流手段[8]。专业处理器集成度高，设计灵活，配置方便，能够满足工业中对数据采集系统的要求，因此在工业控制中有着广泛的应用。实现专用处理器一般是通过配置DSP或FPGA。以往在设计高性能数据采集与处理系统时，人们一般选取DSP，但DSP在数据采集和处理方面的许多功能都是靠软件来完成的，系统工作过程中软件开支占用过多CPU资源，且其运算速度受到串行指令流的限制，难以满足高速实时的处理要求。相比之下，FPGA的集成度高，处理速度快，执行效率高，时序控制灵活，能完成复杂的时序逻辑设计，更能够满足大规模、高速数据处理的要求。且FPGA编程灵活，设计人员可以在不改变外围设备的情况下利用硬件描述语言实现不同的功能。
在工业生产过程中，经常需要高速地采集一些工业参数，如在工业雷管连续爆速动态测量实验中，就需要高速的采集雷管的爆速，对其性能进行分析。一般被测雷管装药的时间是微妙级，由此可知信号的上限频率是几百千赫。依据奈奎斯特采样定律，采样速率应大于等于奈奎斯特采样率的两倍，而在实际应用中，采样速率要比采样定理规定的高，一般取 。因此，雷管连续爆速测量实验中使用的数据采集系统的采样频率应至少大于10MHz，才能满足实验要求。因而高速数据采集系统的开发设计有着重要意义。
1.2 国内外研究现状
1.3 论文的主要内容及章节安排
本设计基于FPGA，开发设计高速实时数据采集系统，系统具有良好的实时性和比较高的精度，能对大规模数据进行快速精确地处理。论文的主要内容包括数据采集系统的总体设计方案，硬件电路设计，软件设计及其仿真结果。硬件电路包括程控放大器、A/D转换电路、FPGA主控芯片。软件设计包括ADC控制模块、FIFO模块、FFT模块。主控芯片选择美国Altera公司的FPGA，以Quartus II作为FPGA的开发环境。文章第2章介绍数据采集系统的总体设计方案和设计思想；第3章对程控放大器、A/D转换电路、FPGA主控芯片进行介绍；第4章介绍系统的各个软件模块，给出原理图和相应的代码，最后总结。
2 数据采集理论研究与总体设计
2.1 数据采集理论
数据采集就是通过对模拟信号采样，转换成数字信号，然后送入CPU进行处理和分析。计算机只能处理数字量，因此在现实生活中大量存在的模拟量必须转换成数字量，才能有计算机进行处理。这个过程一般经过采样、量化和编码三个步骤。
2.1.1 奈奎斯特采样定理
采样过程中所遵循的规律，称之为采样定理，即奈奎斯特定理，具体表述如下：对一个具有有限频谱 为连续信号x(t)进行采样，当采样频率为 ≧2 时，由采样后得到的采样信号 ( )能无失真地恢复为原来信号 (t )。
采样周期 决定采样的质量和数量，若 过小，会使得 ( )数量剧增，占用过多内存；若 过大，采样的点数过少，模拟信号的某些信息丢失，当恢复原信号时造成失真，影响系统精度。设计数据采集系统时，要综合考虑待测信号的性质及电压范围，A/D采样速率及系统精度，经过FPGA时序仿真和硬件调试，以确定A/D采样的频率。
2.1.2 量化和编码
A/D转换器对模拟信号采样后，得到脉冲信号在时域上是离散的，但幅值仍是连续的。量化就是让采样信号的幅值大小变化也是离散的，以最接近采样幅值的某个最小数量整数倍来代替该幅值。
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