如何使用FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)？工作原理和設(shè)計(jì)過程詳細(xì)分析

　　本文介紹了基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路的工作原理和設(shè)計(jì)過程。根據(jù)數(shù)據(jù)采集技術(shù)原理，以Altera公司的EP2C8Q208C8N芯片為核心器件，通過ADC0809采集數(shù)據(jù)，并用DAC0832輸出數(shù)據(jù)，在Quartus II平臺(tái)上，通過VHDL語(yǔ)言編程完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路的軟件設(shè)計(jì)、編譯、調(diào)試、仿真和下載，再與外圍硬件電路相結(jié)合調(diào)試，最終設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路。

　　隨著數(shù)字系統(tǒng)的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于各種學(xué)科領(lǐng)域及日常生活，微型計(jì)算機(jī)就是一個(gè)典型的數(shù)學(xué)系統(tǒng)。但是它只能對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，其輸出信號(hào)也是數(shù)字信號(hào)。而在工業(yè)檢測(cè)控制和生活中的許多物理量都是連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、速度等，這些模擬量可以通過傳感器或換能器變成與之對(duì)應(yīng)的電壓、電流或頻率等電模擬量。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)對(duì)這些電模擬量進(jìn)行檢測(cè)、運(yùn)算和控制，就需要一個(gè)模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換的過程。即常常需要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，簡(jiǎn)稱為AD轉(zhuǎn)換，完成這種轉(zhuǎn)換的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱ADC。

　　EDA，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation）的縮寫。它融合了大規(guī)模集成電路制造急速、ASIC測(cè)試和封裝技術(shù)、FPGA/CPLD編程下載技術(shù)、自動(dòng)測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)概念，為現(xiàn)代電子理論和設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展提供了可能性［1］。

　　EDA技術(shù)是一種綜合性學(xué)科，打破了軟件和硬件見的壁壘，把計(jì)算機(jī)的軟件技術(shù)與硬件技術(shù)、設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品性能結(jié)合在一起，它代表了電子設(shè)計(jì)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向。

　　EDA技術(shù)一般包括以下內(nèi)容：1.大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?；2.硬件描述語(yǔ)言；3.軟件開發(fā)工具；4.實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)［2］。

　　FPGA，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field－Programmable Gate Array）的縮寫。它是一種集成度較高的器件，屬于復(fù)雜PLD。

　　FPGA具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點(diǎn)，在產(chǎn)品研發(fā)和開發(fā)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。用FPGA做一些協(xié)議實(shí)現(xiàn)和邏輯控制，如果協(xié)議理解錯(cuò)誤或者邏輯需要更改，不需要?jiǎng)?a href='http://wenjunhu.com/v/tag/82/' target='_blank' class='arckwlink_none'>PCB。另外，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。目前FPGA的品種很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。本設(shè)計(jì)用的是Altera公司的EP2C8Q208C8N芯片，里面有68416個(gè)邏輯單元，并提供了622個(gè)可用的輸入/輸出引腳和1.1M比特的嵌入式寄存器。它提高了百分之六十的性能和降低了一半的功耗，而低成本和優(yōu)化特征使它為各種各樣的汽車、消費(fèi)、通訊、視頻處理、測(cè)試與測(cè)量、和其他最終市場(chǎng)提供理想的解決方案［3］。

　　誕生于1983年的VHDL，是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language的簡(jiǎn)稱，1987年底，VHDL被作為“IEEE標(biāo)準(zhǔn)1076”發(fā)布。

　　VHDL不僅可以作為系統(tǒng)模擬的建模工具，而且可以作為電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具，能通過Quartus II把VHDL源碼自動(dòng)轉(zhuǎn)化為基本邏輯元件連接圖，這極大的推進(jìn)了電路自動(dòng)設(shè)計(jì)［4］。

　　VHDL能從多個(gè)層次對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建模和描述，所以大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)的任務(wù)，提高了設(shè)計(jì)效率。

　　由Altera提供的FPGA開發(fā)集成環(huán)境―Quartus II，因?yàn)槠溥\(yùn)行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點(diǎn)，迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)［5］。

　　Quartus II支持VHDL、Verilog的設(shè)計(jì)流程，提供了完整的多平臺(tái)設(shè)計(jì)環(huán)境，能滿足各種特定設(shè)計(jì)的需要，同時(shí)，它還具備仿真功能，因此給系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來了很大的便利。

　　系統(tǒng)利用FPGA直接控制ADC0809對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，將轉(zhuǎn)換好的8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，在完成對(duì)模擬信號(hào)一個(gè)或數(shù)個(gè)周期的采樣后，通過DAC0832的輸出端將數(shù)據(jù)讀取出來。