基于FPGA的多路模拟量、数字量采集与处理系统理论研究_fpga能输入模拟量吗
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在电气测控系统中，常常需要采集各种模拟量信号、数字量信号，并对它们进行相应的处理。一般情况下，测控系统中用普通MCU（如51、196等单片机或控制型DSP）是可以完成系统任务的。但当系统中要采集的信号量特别多时（特别是各种信号量、状态量），仅仅靠用普通MCU的资源就往往难以完成任务。此时，一般只能采取多MCU联机处理模式，或者靠其它芯片扩展系统资源来完成系统的监测任务。这样做不仅增加了大量的外部电路和系统成本，而且大大增加了系统的复杂性，因而系统的可靠性就会受一定的影响，这显然不是设计者所愿意看到的。本文所提出的一种基于FPGA技术的模拟量、数字量采集与处理系统，利用FPGA的I/O端口多，且可以自由编程支配、定义其功能的特点，配以VHDL编写的FPGA内部执行软件，能很好地解决采集的信号路数多的问题。因为用VHDL编写的执行软件内部对各组数字量是按并行处理的，而且FPGA硬件的速度是ns级的，这是当前任何MCU都难以达到的速度，因此本系统比其它系统更能实时地、快速地监测信号量的变化。所以在状态量特别多的监测系统中，本系统将更能发挥出自身的优势。系统结构如下所示：
在交流模拟量采集外围电路中，A/D芯片采用的是BB公司的ADS774。多路交流量是通过4051的多路开关后输入到ADS774芯片的。交流信号在进入ADS774之前要经过信号调量电路，调理成ADS774认可的模拟信号。
一个典型的基于FPGA的多路模拟量、数字量采集与处理系统主要包括以下几个部分：
- 模拟前端(AFE, Analog Front-End): 负责模拟信号的调理（如放大、滤波）、采样和量化。
- 模数转换器(ADC, Analog-to-Digital Converter): 将AFE处理后的模拟信号转换为数字信号。
- 数字信号处理器(DSP): 在FPGA内部实现，负责数字信号的处理，如滤波、信号分析等。
- 数字量输入输出(GPIO, General Purpose Input Output): 用于数字信号的采集与输出控制。
- 控制逻辑: 实现系统控制与协调，如多通道切换、数据打包传输等。
在FPGA内部设计了FPGA模块与外界MCU的接口单元，这虽然占去了一定的内部资源，但是考虑到在一般的工程系统中不仅仅包括对各种信息的采集控制，还往往包括通信、显示以及进行一些复杂算术运行等等。FPGA虽然有其显著的长处，但是在这些方面实现起来就往往不如普通MCU来得容易，因此考虑到本系统的通用性，在设计上增加了FPGA模块与外界MCU的接口单元。
1.模拟前端
模拟信号首先通过模拟前端进行调理，这一过程可能包括增益调节、抗混叠滤波等。抗混叠滤波器的设计基于Nyquist采样定理：fs≥2fmax 其中，fs是采样频率，fmax是信号中最高频率成分的两倍，以防止混叠现象。
2.模数转换
模数转换器(ADC)将模拟电压转换为数字量，常见的转换方法有逐次逼近型(SAR)、ΔΣ调制型等。以SAR ADC为例，其转换过程可由以下公式描述：
其中，Vout是输入的模拟电压，Vref是参考电压，D是输出的数字量，n是ADC的位数。
3. 数字量处理与控制
FPGA内部的DSP模块可以实现复杂的数学运算，如快速傅里叶变换(FFT)用于频域分析：
其中，X[k]是离散时间序列x[n]的离散傅里叶变换结果，N是变换长度，j是虚数单位。
FPGA的可编程逻辑单元(PL)用于实现控制逻辑，如状态机，用于管理系统的状态转换和通道选择。对于多路模拟量采集，FPGA可以设计一个循环或基于事件的通道切换机制，确保各通道按需采样并处理数据。
4. 数字量采集与输出
数字量输入通过GPIO直接读取，输出则通过FPGA配置输出引脚的高低电平实现。数字信号的处理相对简单，主要涉及逻辑运算和状态控制。
5. 数据传输与接口
系统通常需要与外部处理器或PC通信，以传输采集数据或接收控制指令。这可以通过串行接口（如UART、SPI、I2C）或高速接口（如Ethernet、PCIe）实现。例如，使用UART传输数据时，数据格式遵循UART协议，包括起始位、数据位、校验位和停止位。
基于FPGA的多路模拟量、数字量采集与处理系统充分利用了FPGA的高度灵活性和并行处理能力，实现了从模拟信号调理、模数转换、数字信号处理到数字量控制的完整链条。通过精心设计的硬件结构和高效的软件算法，系统能高效、实时地处理各种复杂信号，满足不同应用场景的需求。在设计过程中，深入理解信号处理的数学原理与FPGA的硬件架构是至关重要的，这有助于开发出高性能、低延迟、高可靠性的系统。
