基于AD7762和FPGA的数据采集系统设计

摘要 为了满足音频数据采集过程中对频率和分辨率等技术指标的要求，设计了一种高速数据采集装置。文中设计采用Altera公司的Cvclone系列FPGA芯片EP1C4F400在QuartusⅡ环境下使用Verilog语言控制ADI公司的AD7762A／D转换器实现数据采集。通过串口将数据传给上位机，完成数据分析和显示功能FPGA控制整个系统的采集时序。
关键词 数据采集；AD7762；FPGA；寄存器控制；串口

    随着通信技术的发展，通信业务不断扩大，人们越来越重视高速数据采集和处理技术。数据采集系统主要包括增益放大器、A／D模数转换器、功能控制端。文中设计了一种以FPGA为控制核心，用于控制A／D的转换时序及数据传输的高速数据采集系统。

1 系统总体结构
    设计系统以FPGA芯片EP1C4F400作为采集系统的核心控制单元，采用模数转换芯片AD7762作为数据采集的核心模块。由A／D转换后产生的数字信号通过串口传输到上位机，由上位机对数据进行一系列分析。该系统主要南前端处理模块、A／D转换控制模块、FIFO缓存模块及串口模块组成，系统如图1所示。

2 硬件设计
2．1 模数转换模块AD7762
    AD7762是ADI公司近年推出的一款高性能、低功耗、并行24位Sigma-Delta模数转换芯片ADC。宽输入带宽，在625 khit·s-1时信噪比为106 dB的高速Sigma-Delta转换，使得其能够高速获得数据。片上集成用于信号缓冲的差分放大器，低通数字FIR数字滤波器，需要最少的外围设备。另外，AD7762还提供了可编程的采样速率和可调整的FIR数字滤波。AD7762要求在无复杂的前后端信号处理设计中有较高的SNR。
    在应用正常模式下，为实现指定性能，差分放大器需要被配置为前端平滑滤波器，前端使用低噪声，高性能的运算放大器对其进行配置，实现单端信号转差分号，然后驱动AD7762。运算放大器使AD8021，差分放大器使用AD8138。信号由AD8021运算放大器输入端口接入，根据A／D输人信号的幅度标准进行输入信号幅度的调整，经由AD8138差分放大器进行单端转差分处理，之后送入模数转换器中。其电路实现如图2所示。

    AD7762有许多用户可编程寄存器。控制寄存器用于设置滤波频率、滤波器配置、时钟分频器等。AD7762使用16位双向并行接口，该接口受控于。
2．2 主控制FPGA模块EP1C4F400
    系统的主控制器采用Altera公司Cyclone系列的EP1C4F400C8N。Ahera Cyclone系列FPGA从根本上针对低成本进行设计，具有专业应用特性。器件基于成本优化的全铜1．5VSRAM工艺，输入输出电源电压是3．3 V。内核供应电压是1．425～1．575 V。Cyclone FPGA综合考虑了逻辑、存储器、锁相环(PLL)和高级I／O接口。具有专用外部存储器接口电路，支持DDRFCRAM和SDRAM器件以及SDR SDRAM存储器的连接。支持单端I／O标准如3．3 V、2．5 V、1．8 V、LVTTL、LVCMOS、PCI、和SSTL-2／3，满足当前系统需要。通过LVDS和RSDS标准提供多达129个通道的差分I／O技术支持，每个LVDS通道信号数据率高达640 Mb·s-1。FPGA中有两个锁相环(PLLs)，提供6个输出和层次时钟结构，以及复杂设计的时钟管理电路。FPCA中包括17个M4K存储块。每块提供288 kbit的存储容量，能够使配置支持多种操作模式，包括RAM、ROM、FIFO及单口和双口模式。
2．3 系统后端数据传输模块
    在数据传输模块中，设计调用FPGA片上资源实现FIFO缓存。存储深度为256×16 bit。由于A／D的采样频率和串口的读写频率不同，因此设计中采用读写时钟异步的FIFO。FIFO中的数据通过串口传输到上位机，设计中串口芯片采用美信公司专门为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX3232芯片，使用+3．3 V单电源供电。

3 软件设计
    系统利用Ahera QuartusⅡ软件完成FPGA程序的编写。Altera QuartusⅡ软件提供完整的多平台设计环境，能够直接满足特定的设计需要，为FPGA开发提供全面的设计环境。QuartusⅡ开发软件支持多种设计输入方式。由于FPGA支持Verilog／VHDL混合开发，设计主要采用文本形式文件输入方式和存储器数据文件出入方式，采用的Verilog／VHDL硬件描述语言设计输入，易于实现自顶向下的设计方法，易于模块划分和复用、移植性好、通用性强，具有较好的硬件平台无关性，设计不因芯片工艺和结构的改变而改变，利于向ASIC移植。
3．1 A／D转换器的控制寄存器
    A／D时序分为写时序和读时序。写时序控制A／D寄存器的写操作。写操作包括两部分，先写控制寄存器2，给A／D加电，控制寄存器2的地址是0X0002，高10位全部是0。低6位的内容如图3所示。

    设置A／D的时钟分频比率，CDIV=1，则ICLK=MCLK。CDIV=0，则ICLK=MCLK／2。设计硬件电路中连接的时钟是MCLK=40 MHz，但A／D中允许的最大的ICLK时钟是20 MHz，需要对外部时钟进行分频，因此此位设为0。D1PD位置高将关断片上差分放大器，本设计中置0，第二位写入1。再写控制寄存器1，设置A／D的滤波频率、滤波器长度位、数据输出频率等。控制器1的内容如表1所示。

    控制寄存器1的地址是0X0001，设计中控制寄存器1的内容设为0X001B。设计中通过写控制寄存器1设置输出数据频率。读时序控制A／D采样数据的输出。A／D的控制时序及工作状态如图4所示。

    在寄存器写操作时始终保持高电平，由控制。在为低电平期问依次将两个寄存器的地址和内容写入A／D中，控制A／D的工作状态。
    AD7762串联了3个滤波器。通过使用不同的滤波频率、滤波器选择和全通的结合，可以获得大范围的采样速率。通过设置寄存器1的低3位滤波器的状态设置数据输出速率Rate，A／D中默认的滤波特性如表3所示。

    表3是在A／D内部时钟为20 MHz时，可看出当rate=3’h3时→625 kHz；rate=3→312．5 kHz；rate=4→156．25 kHz；rate=5→78．125 kHz。
3．2 A／D读时序控制
    AD7762的读时序如图5所示。

    A／D寄存器写成功后，A／D会根据寄存器设置的工作状态进行数据采样和传输。当一个新的转换数据结果有效时，A／D的引脚会产生一个低脉冲信号送给FPGA，当FPGA接收到这个低脉冲信号时开始接收A／D的采样数据。由于AD7762是24位分辨率的A／D转换器，而外部是16位数据线，所以从AD7762中读取一个转换结果，需要执行两次16 bit读数据操作。当同时为低电平时，数据总线开始传播数据。在二次读操作之间，必须置高一个ICLK周期的高电平。数据传输结束后保持高电平，数据线处于高阻态，等待下一次有效数据的传输。
    控制A／D的程序流程图如图6所示。程序编译后生成的A／D转换器的控制模块如图7所示。

    模块中ad_data_bus[15．0]与FPGA的IO口进行连接。ad_rst_n是A／D的复位信号，而rst_n是系统的复位信号。ad_mclk外接40 MHz晶振，进入A／D后经过寄存器设置进行二分频。ad_sync是同步信号，可以同步多片ADC，此处不操作。
    将程序通过FPGA的JTAG口下载到硬件系统，进行仿真得到的A／D模块仿真结果如图8所示。

    对A／D进行仿真。从仿真图中可以看出，A／D产生低电平后才开始根据的高低电平控制传输数据。
3．3 FIFO数据缓存模块
    FIFO用于存储FPGA接收的A／D采集的数据，FIFO模块的读时钟受前端A／D模块巾的data_valid信号控制，写时钟由后面的串口模块产生，已达到FIFO数据读取与串口传输的数据一致。保证数据准确地通过串口传输到上位机。FIFO的读写控制信号分别由wrfull和rdempty控制，FIFO模缺如图9所示。

3．4 串口数据传输模块
    串口模块的开启和关闭信号tx_en受FIFO模块的读信号rdreq控制。

4 结束语
    数据采集系统设计中，AD7762内部设置差分放大器和灵活设置的寄存器，使得外部的电路设计简单且成本低。FPGA控制更为灵活方便，若想改变A／D的工作状态只需要更改寄存器的设置内容即可。减少外部控制线的数量，使系统减小干扰，更为可靠。若将此系统作为音频信号分析系统的前端，将使整个系统的稳定度及精确度得到提高。