基于FPGA的低功耗USB多功能数据采集系统设计与实现
发布时间：2021-04-27 21:38
随着数据采集系统应用的场景越来越广,测量信号的类型越来越多样化,单一类型的数据采集卡已经不能满足实际需求,而且目前常见的应用在工业控制的采集卡接口都是PCI或CPCI的,不方便用于个人计算机。另外大多数采集系统最终都要重构动态模拟或数字信号,因此数据反馈输出也和数据采集一样重要。所以为了满足数据采集的多样性,本文设计并实现了一种基于FPGA的USB多功能数据采集卡,使数据采集向更多的应用场景渗透。本文设计的低功耗数据采集卡和上位机通过USB总线供电和通信,系统功耗仅1.5W。具体功能和指标如下:能通过16位精度的ADC实现对16个单端（或8个差分）模拟信号输入通道的采集,并支持每个通道独立配置±0.2V～±1OV多种输入范围,信纳比高达88.2dB,单通道最高速率500 kS/s;能通过16位精度的DAC实现2个通道模拟信号输出±1OV电压和偏移量调整;还有16个能配置为多种功能如定时器、计数器、频率发生器的数字输入输出通道。为了方便使用,本文还设计了一套专用的上位机软件,能对模拟和数字信号的输入输出进行配置和控制,能实时显示和储存采集结果和数据波形。本文设计的数据采集系统,在实现和国...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1. 绪论
1.1 论文的研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.3 本文的主要研究内容
2. 系统整体架构
2.1 引言
2.2 系统功能及指标
2.3 系统整体框架
2.4 系统设计难点
2.4.1 抗混叠滤波器
2.4.2 PCB设计
2.4.3 供电方案
2.5 本章小结
3. 硬件电路设计
3.1 引言
3.2 ADC模块
3.2.1 ADC芯片介绍
3.2.2 信号输入选择电路
3.2.3 可变增益放大电路
3.2.4 ADC驱动电路
3.3 DAC模块
3.4 数字IO模块
3.5 FPGA模块
3.6 USB模块
3.7 电源模块
3.8 本章小结
4. FPGA程序设计
4.1 引言
4.2 ADC模块
4.2.1 ADC SPI接口控制
4.2.2 MUX切换控制
4.3 数字滤波器设计
4.3.1 MATLAB中设计滤波器
4.3.2 FPGA中实现数字滤波器
4.4 DAC模块
4.4.1 DAC_SPI接口控制
4.4.2 ADJ_SPI调整量控制
4.5 数字IO模块
4.6 USB通信
4.6.1 FT232H同步读写
4.6.2 USB读写主程序
4.7 本章小结
5. 系统功能和指标测试
5.1 引言
5.2 搭建系统测试平台
5.2.1 上位机软件设计
5.2.2 系统测试平台
5.3 USB传输测试
5.4 ADC测试
5.4.1 直流性能测试
5.4.2 交流性能测试
5.5 DAC测试
5.6 其他功能测试
5.6.1 信号放大测试
5.6.2 通道切换测试
5.6.3 数字IO测试
5.6.4 系统功耗测试
5.7 实际声信号采集
5.8 本章小结
6. 总结和展望
6.1 本文小结
6.2 未来工作展望
参考文献
作者简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于ADC有效位数测试方法及工程应用[J]. 梁素龙,高蕊. 计算技术与自动化. 2017(03)
[2]FPGA的功耗概念与低功耗设计[J]. 张阳,施辰光. 电脑知识与技术. 2017(05)
[3]基于FPGA和Matlab的FIR数字滤波器[J]. 曹振吉,何敏. 现代电子技术. 2015(19)
[4]SAR型模数转换器前端信号调理电路设计[J]. 范明明,杨录,任超瑛. 中国测试. 2014(06)
[5]基于千兆以太网的多通道高速数据采集系统[J]. 秦二强,杨洁,李磊,王浩,郑国恒. 核电子学与探测技术. 2014(01)
[6]航海雷达数据高速采集回放系统设计与实现[J]. 罗来金,曾连荪,夏念. 电子设计工程. 2011(13)
[7]了解高速ADC的交流特性[J]. 张靖. 电子技术应用. 2011(01)
[8]ADC外围电路的设计[J]. 高中义. 现代电子技术. 2010(22)
[9]浅析PCB板的设计技巧及通用规则[J]. 聂月萍. 集成电路通讯. 2008(04)
[10]模数转换技术的分析与应用[J]. 蒋臻. 电子与封装. 2007(03)
硕士论文
[1]多通道多功能数据采集系统设计[D]. 石军辉.中北大学 2015
[2]基于FPGA的1GHz数据采集卡研制[D]. 唐福涛.郑州大学 2012
[3]基于构形理论PCB电源板电源完整性设计研究[D]. 刘诗韵.华南理工大学 2012
[4]模数混合电路电磁兼容性分析方法的研究[D]. 张玉霞.哈尔滨工业大学 2010
[5]基于FPGA的PCI数据采集卡的研究与开发[D]. 吴健.中南大学 2008
本文编号：3164198
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1. 绪论
1.1 论文的研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.3 本文的主要研究内容
2. 系统整体架构
2.1 引言
2.2 系统功能及指标
2.3 系统整体框架
2.4 系统设计难点
2.4.1 抗混叠滤波器
2.4.2 PCB设计
2.4.3 供电方案
2.5 本章小结
3. 硬件电路设计
3.1 引言
3.2 ADC模块
3.2.1 ADC芯片介绍
3.2.2 信号输入选择电路
3.2.3 可变增益放大电路
3.2.4 ADC驱动电路
3.3 DAC模块
3.4 数字IO模块
3.5 FPGA模块
3.6 USB模块
3.7 电源模块
3.8 本章小结
4. FPGA程序设计
4.1 引言
4.2 ADC模块
4.2.1 ADC SPI接口控制
4.2.2 MUX切换控制
4.3 数字滤波器设计
4.3.1 MATLAB中设计滤波器
4.3.2 FPGA中实现数字滤波器
4.4 DAC模块
4.4.1 DAC_SPI接口控制
4.4.2 ADJ_SPI调整量控制
4.5 数字IO模块
4.6 USB通信
4.6.1 FT232H同步读写
4.6.2 USB读写主程序
4.7 本章小结
5. 系统功能和指标测试
5.1 引言
5.2 搭建系统测试平台
5.2.1 上位机软件设计
5.2.2 系统测试平台
5.3 USB传输测试
5.4 ADC测试
5.4.1 直流性能测试
5.4.2 交流性能测试
5.5 DAC测试
5.6 其他功能测试
5.6.1 信号放大测试
5.6.2 通道切换测试
5.6.3 数字IO测试
5.6.4 系统功耗测试
5.7 实际声信号采集
5.8 本章小结
6. 总结和展望
6.1 本文小结
6.2 未来工作展望
参考文献
作者简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于ADC有效位数测试方法及工程应用[J]. 梁素龙,高蕊. 计算技术与自动化. 2017(03)
[2]FPGA的功耗概念与低功耗设计[J]. 张阳,施辰光. 电脑知识与技术. 2017(05)
[3]基于FPGA和Matlab的FIR数字滤波器[J]. 曹振吉,何敏. 现代电子技术. 2015(19)
[4]SAR型模数转换器前端信号调理电路设计[J]. 范明明,杨录,任超瑛. 中国测试. 2014(06)
[5]基于千兆以太网的多通道高速数据采集系统[J]. 秦二强,杨洁,李磊,王浩,郑国恒. 核电子学与探测技术. 2014(01)
[6]航海雷达数据高速采集回放系统设计与实现[J]. 罗来金,曾连荪,夏念. 电子设计工程. 2011(13)
[7]了解高速ADC的交流特性[J]. 张靖. 电子技术应用. 2011(01)
[8]ADC外围电路的设计[J]. 高中义. 现代电子技术. 2010(22)
[9]浅析PCB板的设计技巧及通用规则[J]. 聂月萍. 集成电路通讯. 2008(04)
[10]模数转换技术的分析与应用[J]. 蒋臻. 电子与封装. 2007(03)
硕士论文
[1]多通道多功能数据采集系统设计[D]. 石军辉.中北大学 2015
[2]基于FPGA的1GHz数据采集卡研制[D]. 唐福涛.郑州大学 2012
[3]基于构形理论PCB电源板电源完整性设计研究[D]. 刘诗韵.华南理工大学 2012
[4]模数混合电路电磁兼容性分析方法的研究[D]. 张玉霞.哈尔滨工业大学 2010
[5]基于FPGA的PCI数据采集卡的研究与开发[D]. 吴健.中南大学 2008
本文编号：3164198
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