基于ARM和FPGA的高速数据采集卡的设计与实现.doc

摘 要 采集是认知的开始、测量的前提、分析的基础，绝大多数的电子设备、仪器都是以数据采集为基础。随着电子技术和数字技术的飞速发展，信号的传输速度和CPU的处理速度越来越快，工业中对数据采集和处理的要求也越来越高。 由于芯片技术的限制我国很难在高端的数据采集系统中有所作为，一般国内的数据采集卡都处于中低端产品，多用于中低频信号的采集中，很少有符合我们设计要求的高速采集系统。课题中的高速数据采集卡是研究高性能分析仪器的一部分，它与一般的数据采集卡存在区别，主要区别在于我们的系统对数据输出的要求不强，系统可以自成系统，有一定的数据处理和分析能力。本设计采用AD转换器+FPGA芯片+ARM处理器的结构，实现了采样率为250M的数据采集卡。 论文从宏观和微观两个方面来分析数据采集卡的各个组成部分。从宏观上分析了采集系统中各个芯片间的数据流向、速度匹配和具体通信方式的选择等问题。使用乒乓机制降低了数据处理的速度，来降低FPGA中的预处理难度，使FPGA处理时序余量更加充裕。在ARM与FPGA通信方式上使用DMA传输，大大提高了数据传输的速率，并解放了后端的ARM处理器。设计从宏观上优化数据传输的效率，充分发挥器件的性能，并提出了一些改进系统性能的方案。从微观实现上，数据是从前端数据调理电路进入AD转换器，再由FPGA采集AD转换器输出的数据，后经过数据的触发、成帧等预处理，预处理后的数据再传输给后端的ARM处理器，最后由ARM处理器送给LCD显示。微观实现的过程中遇到了很多问题，主要是在AD数据的采集和采集数据的传输上。在后期的系统调试中遇到了采集数据错位、ARM与FPGA通信效率低下，还有FPGA中预处理时序紧张等问题，通过硬件软件部分的修改，问题都得到一定程度的解决。 在整个数据采集卡的设计过程中还遇到高速PCB设计、硬件设计可靠性、设计冗余性和可扩展性等问题，这些都是硬件设计中的需要考虑和重视的问题，在论文的最后一章有详细论述。 关键词：高速数据采集 触发 高速PCB设计 高速ADC Abstract Date acquisition is the premise of measure, the foundation of analysis and the beginning of cognition. Most precise device is based on the date acquisition. With the development of the electronic and digital technology, the speed of date transmission and the calculation of CPU are faster and faster; therefore the requirements of data acquisition and processing are more severe than before. It is hard for us to make a brilliant success in the area of high-end data acquisition due to the restraint of the technology of chip. At present the data acquisition card in our country are almost low-end products which are always used to deal with median frequencies low frequencies. And the systems of acquisition seldom are line with the demanding of our design. In this paper, high-speed data acquisition card is a part of high performance analytical instruments. The differences between this kind of cards and the others are that they are not rigid to the output of system and have the ability of data analyzing and processing. We successfully design a system of 250M sampling frequencies based on the structure of A/D, FPGA and A