基于FPGA和USB3.0的超高速数据采集系统设计

发布时间：2017-03-22 03:00

  本文关键词：基于FPGA和USB3.0的超高速数据采集系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：数据采集系统是信息系统中不可缺少重要组成部分,也是数字信号处理与分析的基础,已被广泛应用于雷达、通信、物联网和遥测遥感等领域。为了能够满足雷达系统实时监测的需求,本文提出了由高速ADC芯片、高性能FPGA和USB3.0接口组成的高速数据采集系统设计方案和实现方法。将FPGA作为系统的核心控制器,实现数据的采集、缓存以及外设的驱动;脱离了CPU指令控制,数据的采集传输采用全硬件的操作方式,使系统更加高速,USB3.0作为数据传输接口,保证了数据的高速稳定传输。论文首先分析了现阶段国内外高速数据采集系统的架构和接口,针对其硬件结构冗余和接口灵活性较差的缺点,提出了研究FPGA和USB3.0超高速数据采集系统的必要性和重大意义;随后详细介绍了超高速数据采集系统中ADC、FPGA、DDR2和USBS3.0接口硬件设计关键技术,讨论了高速电路设计中要考虑的布局布线、电磁兼容性、信号完整性要求;在FPGA逻辑设计中总体概述系统架构,并详述了流水线式数据处理方式、DDR2缓存机制和Cypress公司的FX3芯片的驱动方式;然后介绍了FX3芯片固件程序、驱动程序和上位机软件的设计。最后在实验室环境下,对各通道、多模式条件下进行数据采集和分析,试验结果表明,该数据采集系统各通道无串扰现象,大数据量定点传输和连续传输时,无数据的误码和丢失,数据传输速度可达255.28 MByte/s。超高速数据采集系统采用高速ADC+FPGA+USB3.0方案,保证了系统的高速性和接口的灵活性。
【关键词】：数据采集 便携 超高速 流水线 FPGA和USB3.0
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP274.2
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-11
• 1 引言11-17
• 1.1 课题研究的背景和意义11-13
• 1.2 国内外发展现状13-14
• 1.2.1 国外发展现状13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.2.3 存在的问题14
• 1.3 本文的主要工作和组织结构14-17
• 1.3.1 本文的主要工作14-16
• 1.3.2 本论文的组织结构16-17
• 2 系统相关技术及总体设计方案17-29
• 2.1 信号采样相关理论及ADC技术介绍17-19
• 2.1.1 信号采样理论17-18
• 2.1.2 ADC采样原理18-19
• 2.2 FPGA技术介绍19-22
• 2.2.1 FPGA简介19-20
• 2.2.2 FPGA的原理20-21
• 2.2.3 FPGA的片上资源21
• 2.2.4 SignalTap II逻辑分析仪21-22
• 2.3 DDR2技术介绍22-24
• 2.3.1 DDR2 SDRAM工作原理22-23
• 2.3.2 DDR2 SDRAM特性23-24
• 2.4 USB3.0 总线技术24-26
• 2.4.1 USB协议介绍24
• 2.4.2 USB3.0 与USB2.0 比较24-26
• 2.5 系统总体设计方案26-28
• 2.5.1 系统功能描述26
• 2.5.2 系统的组成26-27
• 2.5.3 系统实现原理27-28
• 2.6 本章小结28-29
• 3 系统硬件设计29-51
• 3.1 硬件总体设计29-30
• 3.2 信号预处理电路设计30-31
• 3.3 FPGA模块设计31-34
• 3.3.1 FPGA器件选型31
• 3.3.2 FPGA配置电路31-33
• 3.3.3 FPGA时钟设计33-34
• 3.3.4 FPGA PCB设计关键点34
• 3.4 USB3.0 接口设计34-44
• 3.4.1 USB3.0 协议芯片选型35-36
• 3.4.2 CYUSB3014芯片介绍36-38
• 3.4.3 CYUSB3014与FPGA接口设计38-40
• 3.4.4 EZ-USB FX3工作过程40-41
• 3.4.5 CYUSB3014的时钟设计41
• 3.4.6 CYUSB3014的配置电路41-43
• 3.4.7 USB3.0 硬件设计注意事项43-44
• 3.5 DDR2存储电路设计44-48
• 3.5.1 DDR2与FPGA接口设计44-47
• 3.5.2 DDR2硬件设计注意事项47-48
• 3.6 串口模块设计48-49
• 3.7 硬件系统电源设计49-50
• 3.8 本章小结50-51
• 4 FPGA逻辑设计51-63
• 4.1 系统逻辑总体设计51-52
• 4.2 系统复位52-53
• 4.3 命令解析模块53
• 4.4 数据打包模块53-54
• 4.5 数据流缓存模块54-58
• 4.5.1 跨时钟域数据缓存54-55
• 4.5.2 高速大容量缓存55-58
• 4.6 USB3.0 接口设计模块58-62
• 4.6.1 同步从FIFO读时序58-59
• 4.6.2 同步从FIFO写时序59-60
• 4.6.3 FPGA驱动逻辑60-62
• 4.7 本章小结62-63
• 5 系统软件设计63-71
• 5.1 CYUSB3014固件设计63-66
• 5.1.1 固件开发流程63-64
• 5.1.2 FX3 固件工作原理64-65
• 5.1.3 固件开发流程65-66
• 5.2 设备驱动程序设计66-67
• 5.3 上位机LabVIEW软件设计67-70
• 5.3.1 上位机与采集卡通信结构68
• 5.3.2 上位机应用程序68-70
• 5.4 本章小结70-71
• 6 系统调试和分析71-75
• 6.1 系统调试准备工作71-72
• 6.2 系统调试及数据分析72-74
• 6.2.1 数据传输测试72-73
• 6.2.2 系统速度测试73-74
• 6.3 本章小结74-75
• 7 总结和展望75-77
• 7.1 总结75-76
• 7.2 展望76-77
• 参考文献77-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果80-81
• 致谢81-82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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中国硕士学位论文全文数据库 前2条

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本文编号：260729