基于FPGA的LSA系列激光粒度测试仪的数据采集系统设计.doc
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1、基于FPGA的LSA系列激光粒度测试仪的数据采集系统设计引言随着现代科学技术的日益发展,颗粒尺寸及其分布在诸如石油、冶金、制药、建材等领域占据着越来越重要的地位。激光粒度仪就是用来测量微小颗粒尺寸及其分布的仪器,其基本原理是光的衍射理论。数据采集系统对激光粒度仪的光电探测器上光能信号的采集速度是激光粒度仪的性能指标之一,一般来说采集速度越快测量结果的准确性、重复性和稳定性越好2。随着各种新型光电探测器的不断出现,原有的数据采集系统需要重新设计升级。在新的设计方案中,数据采集系统的模拟通道容量增加到了 112路,并且系统的采集速度也有了大幅度的提高。FPGA具有硬件资源丰富、设计灵活等特点,适用
2、于数据通讯、数据采集和系统控制中,特别是它的并行结构和算术运算的特点,已越来越受到科技开发人员的青睐,被广泛应用到数据信号处理当中。对本系统而言, FPGA作为一种可编程、可重配置的数字集成电路,为实现系统的设计目标提供了有力的保证。1 系统硬件设计根据激光粒度仪的应用场合,本数据采集系统采用单通道采集的方案,它主要由模拟部分、数字部分和接口部分三部分组成。其中模拟部分包括光电探测器、电信号放大、多路选通、信号调理和 12位 AD转换,数字部分则完全在 FPGA内部实现,接口部分主要是计算机的 PCI总线接口。系统组成框图如图 1所示。光电探测器电信号放大激光粒度仪所用的光电探测器是由多个同心
3、的光敏环组成的,每一光敏环输出的模拟电信号反映了照射到该环上的光能量大小。随着对激光粒度测量研究的不断深入,天津大学研制的 LSA系列激光粒度仪的光电探测器组件,其模拟输出已经发展到 96路之多3。为实现对这么多路模拟信号的采集,多路选通采用七片 16选 1模拟开关 DG406和一片 8 选 1模拟开关 MAX308组成双层级联结构,共可容纳 112路模拟信号,它的地址信号是由 FPGA提供的。AD转换芯片是数据采集系统的关键器件,采用 ADI公司的 12位逐次逼近型模数转换芯片 AD7321,在本文中该芯片使用其内部的 2.5V参考电压,模拟输入范围选择为 010V,它使用由 FPGA分频产
4、生的 8.3MHz时钟信号,这样该芯片可在 2s内完成一次模数转换。若连续两次采样间隔的时间设置为 2s,则系统的数据平均传输速率可达到3Mbps。2 系统软件设计2.1 FPGA内部逻辑设计本文采用了片上系统的设计理念,在 FPGA内部设计了所有所需的数字逻辑,可以实现数据采集控制、数据存储和 PCI接口方式的数据传输等功能。在本方案中,系统初始化后,首先上位机将采集的参数信息(模拟通道数、采样方式、AD7321工作模式等等)通过 PCI总线送给 FPGA中,FPGA再根据这些参数信息控制多路开关和 AD7321的工作,完成数据采集任务。采集过程中 FPGA将 AD转换得到的数据存入其内部的
5、 FIFO中,当 FIFO快满时,它向上位机产生中断,上位机再通过 PCI总线读取 FIFO中的数据。根据以上的设计思想,整个 FPGA内部逻辑的设计框图如图 2所示。本文中 FPGA选用 ALTERA公司的 EP2C5Q208C7芯片,采用自顶向下的设计方法,使用 Quartus II 7.0 等相关软件进行硬件代码的开发。下面给出各模块的设计过程。1)PCI_t32模块。该模块是采用 ALTERA公司的 32位 PCI TARGET接口宏核逻辑,它支持 PCI配置空间读写、内存方式读写和 I/O方式读写,支持可参数化的配置寄存器,具有奇偶校验功能,能提供灵活的本地端接口,可以将复杂的、电气
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- 基于 FPGA LSA 系列 激光 粒度 测试仪 数据 采集 系统 设计
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