电竞作品基于SOPC的高精度多路数据采集系统

基于SOPC的工业现场高精度多路数据采集系统

电竞作品基于SOPC的高精度多路数据采集系统

Industrial Field High Accuracy Multi-Channel Data Acquisition System

Based on SOPC

（陕西科技大学 指导老师：张震强 学生：易长文 邓亚明 曾志强）

摘要：本作品应用SOPC技术来完成在工业现场高精度数据的采集。采用通用输入端子，实现了多通道多信号输入、高精度的数据采集。用户可以自由选择输入信号，具有克服温度漂移的自校准、手动校准、键盘输入、液晶显示和标准的RS232串口通讯的功能。在本设计中结合FPGA的特点与V/F转换器配合使用，实现高于16位分辨率的ADC转换功能。V/F转换器相当于一个双积分A/D转换器，抗工频干扰能力强。信号调理电路采用增益可调的仪表放大器，提高了共模抑制比。由于合理使用了ALTERA DE2板的资源，使外围硬件电路的结构更加简单，系统稳定性好，运行可靠。

关键词：SOPC 高精度 多通道 数据采集 自校准 串口通讯

ABSTRACT: High-accuracy data collection system is implemented Based on the SOPC Technology, which can achieve multi-channel signal via common input port. Input signal can be selected by users as their wish. can overcome Temperature Drift can be overcome by auto adjustment or manual adjustment via keyboard input in system. Data display and transport via RS-232 Serial Port to computer. System achieve higher than 16 bits Resolution A/D Convertion due to the resistance of Industrial Frequency disturbance in V/F Convertor. And Signal amplifying circuit enhances the CMRR (Common Mode Rejection Ratio) via Programmable-gain instrumentation amplifier. Thanks to resources in the Altera DE2 Board, system is running stable and reliable with simpler external circuit.

KEYWORDS: SOPC ，High Accuracy ，Multi-Channel，Data Acquisition

Auto-Adjustment ， Serial Communication

一、选题意义

数据采集系统广泛应用于多个领域，比如医药、化工、食品等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数，因此，数据采集是工业测控中至关重要的一环。

本系统采用SOPC技术针对工业控制中的过程量4～20mA的变送器信号、0～5V的电压信号、-200～850℃的PT100的温度测量、频率<1MHZ的变送器的脉冲信号的采集、数据传送进行设计。利用Altera公司DE2开发板与外部配置接口电路实现多路高精度数据采集。通过DE2板上标准的RS232通讯接口与上位机连接，实现将现场采集数据上传和监控管理，使监控人员直接在监控机房通过上位机观察现场的数据并采取相应措施实现对现场设备的控制，从而使现场的仪器设备能够正常运行。通过RS232/485转换接口，还可实现远程数据传送和远程监控。本系统设计的输入信号接口电路为通用接口，用户可以自由选用外挂变送器设备，使用更加灵活方便。

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如果用传统方法设计多路数据电路，完成键盘设置、液晶显示、通讯等功能，则需要大量的外围硬件电路实现。采用Altera公司的DE2开发板，可以充分利用板上资源实现上述功能，大大简化了硬件电路设计。本设计以采集16路工业现场信号作为设计目标。如果充分利用板上资源，还可实现更多通道的数据采集。这样的电路可以被应用到分布型综合控制系统中。

二、方案选定

系统框图如图1所示。各部分功能分述如下：

FPGA DE2板 16 路信号输入 输 入 接 口 电 路 信号 数字 VHDL硬 件 电 路 NIOS II LCD显示 RS232口 键盘输入 上位机 串口通讯 图1 系统框图

1．16路信号输入

16路信号输入电路由接线端子组成，分别可接工业现场的8路电流信号、3路电压信号、3路Pt100的温度信号和2路脉冲信号。

2．输入接口电路

输入接口电路的框图如图2所示。该部分电路完成对输入信号的调理和实现A/D转换功能。其中对频率信号的采样，采用光电耦合和整形电路实现现场信号与系统的电气隔离和电平转换功能，既能保护DE2板上元件的安全，又能实现电平转换使输入的频率信号幅值能满足FPGA元件对输入电平的要求。

对于输入电压、输入电流和Pt100的电阻信号，首先将其转换为电压信号，再通过增益可调的测量放大器和V/F转换，将其转化为频率信号，进入FPGA内部计数电路，实现A/D转换。

2路频率信号 光电耦合及整形电路

程 转 8路电流信号 控 换 V/F

测 为 转

3路PT100信号 FPGA 量 电 换

放 压 电

3路电压信号 大 信 路

器 号 基准电压 1

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图2 输入接口电路

为了克服输入电路由于温度漂移、时间漂移产生的测量误差，系统采用内部基准源自校正电路，定时进入自校准模式，重新确定标度变换斜率以减小系统测量误差。

3．FPGA内部电路

本设计使用了ALTERA公司提供的NIOSII系统开发平台，该平台给提供了大量的模块。由该系统开发平台提供的NIOSII可以控制７段显示、LCD、LED、各种PIO、以及RAM等，通过它还可以设置定时器，UART模块。

设计方框图如图3所示，通过系统结构图，利用SPOC BUILDER搭建和生成自己的系统。主CPU是由NIOS II构成，包括Flash和Ram控制器，通过三态AVALON桥和NIOSII CPU连接；由于采用V/F 类型A/D转换，因而通过PLL模块产生稳定的系统时钟频率和AD的工作频率；另外在系统中加入定时器来精确的定时25ms，让计数器来精确的计数，以提高系统A/D转换的精度；LCD模块用来即时显示采集的各个通道的数据，通过按键可以控制要显示的通道和系统参数的设定。最后通过UART把采集的数据传输到上位机储存以用来实现后期的数据分析。

软件调试 上位机 JTAG 外 下载接口 部 接 串行通信接口 口 数据 Nios II 电 处理器 路 SDRAM 指令 定时器 通用I/O口 计数器 LEDS, LCD显示 按钮 开关 图3 设计方框图

4．串口通讯

UART（即Universal Asynchronous Receiver Transmitter 通用异步收发器）是广泛使用的串行数据传输协议。UART允许在串行链路上进行全双工的通信。 UART串行通讯帧格式如图4所示。

Avalon 总线 2

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图4 UART帧格式

包括线路空闲状态（idle，高电平）、起始位(start bit，低电平)、5～8位数据位(data bits)、校验位(parity bit，可选)和停止位(stop bit，位数可为1、1.5、2位)。 这种格式是由起始位和停止位来实现字符的同步。 UART内部一般有配置寄存器，可以配置数据位数（5～8位）、是否有校验位和校验的类型、停止位的位数（1，1.5，2）等设置。 UART主要有由数据总线接口、控制逻辑、波特率发生器、发送部分和接收部分等组成。Altera FPGA内UART核如图5所示。

图5 Altera FPGA内 UART 核

UART核符合RS-232逻辑电平标准。它通过TXD和RXD端口发送和接收串行数据。但大部分Altera的 FPGA器件与RS-232电平标准不一致，如果直接用RS-232 连接头送来的信号来驱动则很可能会把FPGA烧坏。为此，通过在 FPGA I/O口和RS-232连接头之间加入3.3V工作电压的MAX232的电平转换芯片，如图6所示，实现了标准的RS-232逻辑电平转换。

图6 UART核 逻辑转换电路

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5．系统控制及算法的实现

用NIOS II来协调电路的各部分工作。算法上采取针对不同对象采取不同的算法来实现。即：

（1）电压信号：为了保证精度采取分段线性化的方法。对不同段的数据采取不同的放大倍数。在本系统中采用5级放大的方法，如式○1

K×1×C 1.25V

U=

K×16×C 80mV

C——计数器的值；

（2）电流信号和Pt100的信号：转换为电压信号，然后作类似○1中的处理。 （3）频率信号：采取直接计数的方法实现对频率信号的采样。

F?M/T ○2

其中M为计数器的读数，T为采样周期，

三、硬件实现

硬件部分由外部的前端电路和DE2内部的FPGA电路两大部分组成。 1．外部的接口电路 （1）16位ADC的实现 a．A/D转换器的选取

A/D转换器的选型对整个系统的实现有重要的意义和影响，要作?1mV的精度，要达到该指标所需要的最少位数为：

最少位数?Log25000?Log5000?12.22 ○3

Log2所以选取大于13位的ADC，实际选取模拟器件公司的AD652，其A/D转换位数可超过16位。

AD652是AD公司推出的一种高线性度电荷平衡式V/F转换芯片。输出频率范围宽2MHZ(MAX)，线性误差在满频度输出为1MHZ时最大为0.005%，增益误差最大为1.5%（Fclk=4MHZ），增益温度系数最大为75ppm/℃，可与TTL或CMOS电平兼容，外接电路

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