基于FPGA的多路数据采集与传输系统

基于fpga的多路数据采集与传输系统
技术领域
1.本实用新型涉及信息采集技术领域，尤其涉及基于fpga的多路数据采集与传输系统。


背景技术：

2.数据采集是信息科学的一个重要分支，目前计算机广泛应用，其重要性十分显著。在计算机与外部器件或系统交互过程中，数据采集系统起到了纽带作用，是获取信息的有效途径。数据采集系统要完成的任务为：采用传感器获取相应的模拟信号并将其数字化，转成计算机可识别的数字信号，然后将其送入计算机进行相应的数据计算及处理。无论是科研、生产和生活中，其应用都十分的广泛，特别是在环境监测领域和电力领域等一些领域还对数据采集系统的采样通道数和采样准确性有更多的要求。
3.基于微处理器的数据采集系统，此系统采集前端的传感器信号通过adc转换，直接送至微处理器，进行本地存储或可直接输出到外部设备中。但该系统的电路设计复杂，且处理速度不如fpga并行处理速度快，在长时间采集时系统的稳定性不好。另外，以fpga作为控制核心的数据采集系统往往存在着以下问题：
4.1、在特定技术领域如遥测领域，进行数据分析时，需要大量的数据样本，因此对数据采集系统的采样通道数有更多的要求，目前大多数采样设备往往只能达到十几或者几十个采样通道数，不足以满足要求。除此之外，满足采样通道数的设备体积过大，成本较高。
5.2、多通道数据采集设备因为其采样通道数多，采样数据大，要求系统的存储器容量大，同时为了满足系统掉电后再次读取采样数据，多数设备存储器为nand flash，但由于多通道数据采集设备在长时间数据采集时，实时采样数据量大，对存储器的实时写入速度有着更高的要求，nand flash难以满足高速写入的要求以及存储要求，容易出现数据溢出的情况。
6.3、一般数据采集系统在高速数据采集时，因为实时采样数据量大，难以实现实时采样数据传输，所以首先将采样数据进行存储操作，在采样完成之后再进行数据传输，其数据采集实时性不足，难以在数据采集过程中发现异样数据。
7.针对上述现有技术的不足，亟需提出一种体积小巧、采样精度高的多通道数据采集实时传输系统。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于克服现有采样系统难以满足高速写入的要求、实时性不足的问题，提供了一种基于fpga的多路数据采集与传输系统。
9.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：基于fpga的多路数据采集与传输系统，系统具体包括顺次连接的采集卡、主控板卡和上位机；所述采集卡包括顺次连接的传感器阵列单元、信号调理单元、模数转换单元、控制单元，控制单元输出端与主控板卡连接；所述主控板卡包括双向连接的控制与数据处理单元、以太网通信单元，以太网通信单元
经udp数据线与上位机通信连接。
10.在一示例中，所述控制单元包括若干控制模块，控制模块为第一fpga芯片。
11.在一示例中，所述控制与数据处理单元为第二fpga芯片。
12.在一示例中，所述控制单元经spi数据线与控制与数据处理单元通信连接。
13.在一示例中，所述传感器阵列单元包括至少128个传感器。
14.在一示例中，所述信号调理单元包括若干信号调理模块，所述信号调理模块包括顺次连接的增益调节电路和滤波电路。
15.在一示例中，所述模数转换单元包括若干模数转换模块，模数转换模块为adc芯片。
16.在一示例中，所述控制与数据处理单元连接有串口通信单元。
17.在一示例中，所述以太网通信单元包括第一以太网通信模块和第二以太网通信模块；控制与数据处理单元与第一以太网通信模块连接，第一以太网通信模块经udp数据线与上位机连接；主控板卡还包括emmc存储单元，控制与数据处理单元经emmc存储单元与第二以太网通信模块连接，第二以太网通信模块经tcp数据线与上位机连接；控制与数据处理单元经串口通信单元与上位机连接。
18.在一示例中，所述系统还包括电源单元，电源单元包括第一电源电路模块和第二电源电路模块；第一电源电路模块为采集卡中各单元提供工作电压；第二电源电路模块为主控板卡各单元提供工作电压。
19.需要进一步说明的是，上述各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
20.与现有技术相比，本实用新型有益效果是：
21.1、在一示例中，本实用新型系统引入以太网通信单元配合udp数据线，进而实现对大量数据的实时传输，整个系统集成度高，体积小，便于集成于多种数据采集场景中。
22.2、在一示例中，本实用新型至少具备128个数据采样通道，能够满足大数据样本采集要求。
23.3.在一示例中，本实用新型通过信号调理单元对采集的数据进行放大、滤波处理，保证了数据采集的精准度。
24.4.在一示例中，本实用新型经串口通信单元预留串口通信接口，便于与外部系统对接，实现信息共享。
25.5.在一示例中，本实用新型上位机经串口通信单元切换控制与数据处理单元与以太网通信单元之间的数据传输模式(udp传输和/或tcp/ip传输)，使控制与数据处理单元与上位机具备两种数据传输模式，即高速实时数据传输模式以及回读传输模式，能够更加精准匹配当下数据采集场景。
附图说明
26.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
27.图1为本实用新型一示例中的系统图；
28.图2为本实用新型一示例中第一以太网通信模块的电路原理图；
29.图3为本实用新型一示例中控制模块的一部分电路原理图；
30.图4为本实用新型一示例中控制模块的另一部分电路原理图；
31.图5为本实用新型一示例中控制与数据处理单元的一部分电路原理图；
32.图6为本实用新型一示例中控制与数据处理单元的另一部分电路原理图；
33.图7为本实用新型优选示例的系统框图；
34.图8为本实用新型一示例中增益调节电路的电路原理图；
35.图9为本实用新型一示例中滤波电路的电路原理图；
36.图10为本实用新型一示例中模数转换模块的电路原理图；
37.图11为本实用新型一示例中串口通信单元的电路原理图。
具体实施方式
38.下面结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
39.在本实用新型的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
41.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
42.在一示例中，基于fpga的多路数据采集与传输系统，如图1所示，系统包括顺次连接的采集卡、主控板卡和上位机，且主控板卡与上位机双向通信连接，上位机优选为工控机。采集卡基于传感器采集前端数据信息，并对采集的数据信息进行预处理，包括顺次连接的传感器阵列单元、信号调理单元、模数转换单元以及控制单元，控制单元输出端与主控板卡连接。具体地，如图2所示，传感器阵列单元包括若干传感器，传感器用于采集前端数据信号(模拟信号)，如当采集温度信号时则采用现有温度传感器；信号调理单元包括若干信号调理模块，用于对采集的数据信号进行放大、滤波等预处理；模数转换单元包括若干模数转换模块，用于将预处理后的模拟数据信号转换为数字信号，便于控制器识别；控制单元用于对采集的数字数据信号进行识别并缓存，还可用于数据的组帧处理，包括若干控制模块即控制器，集成多个控制模块能够对多通道(一传感器对应一数据采集通道)数据进行并行处
理，在减缓各控制模块数据处理压力的同时，能够保证数据采集的实时处理能力。
43.进一步地，主控板卡包括双向连接的控制与数据处理单元、以太网通信单元，以太网通信单元经udp数据线与上位机通信连接。其中，udp数据线即支持udp协议进行数据传输的数据线，本示例中具体为双绞线，通过支持udp协议的双绞线进行数据传输，结合以太网通信单元能够保证大容量数据的实时同步传输。本示例中，以太网通信单元具体为第一以太网通信模块，如图2所示，具体为以太网通信芯片w5500，其预留有多个i/o接口即eth miso引脚、eth mosi引脚，用于与控制与数据处理单元进行udp数据传输；同时，太网通信芯片w5500预留有多个i/o通信接口如rxn引脚、txn引脚，进而与上位机双向通信连接。
44.更进一步地，采集卡中各单元集成设置，主控板卡中各单元集成设置，采集板卡的控制模块预留有第一通信接口，且主控板卡中控制与数据处理单元预留有第二通信接口，通过数据线实现第一通信接口与第二通信接口的通信连接，进而将采集卡采集的数据信息传输至主控板卡。本示例中采集卡与主控板卡分离设计，能够提高本实用新型系统的稳定性与实用性。
45.在一示例中，控制单元包括8控制模块，控制模块为第一fpga芯片。如图3-4所示，fpga芯片xc3s400an-4ftg2561预留有多个i/o端口如8520_a0引脚、8520_a1引脚、8523_a0引脚、8523_a1引脚等，用于接收采集卡中前端传感器阵列单元采集的数据信息，同时，fpga芯片xc3s400an-4ftg2561预留有多个i/o端口与控制与数据处理单元双向通信连接，如fpga_miso引脚、fpga_mosi0引脚、fpga_mosi1引脚、fpga_mosi2引脚、fpga_mosi3引脚等。
46.在一示例中，控制与数据处理单元为第二fpga芯片，用于对采样数据进行并串转换处理以及组帧处理，重新组帧后的采样数据包送至以太网通信单元。进一步地，控制单元经spi数据线与控制与数据处理单元通信连接，即将spi数据线两端分别插接于上述第一通信接口、第二通信接口两端即可实现采集卡与主控板卡的连接，整个连接过程方便简单，便于操作。如图5-6所示，主控板卡中的fpga芯片xc6slx100t-csg484预留有与采集卡中控制模块fpga进行连接的i/o端口如slave miso引脚、slave mosi0引脚、slave mosi1引脚、slave mosi2引脚、slave mosi3引脚等，进而将采集卡采集的数据传输至主控板卡。更为具体地，主控板卡中的第二fpga芯片预留有与第一以太网通信模块进行双向通信的i/o端口即erth_miso引脚、erth_mosi。主控板卡中的fpga芯片还预留有与环境监测单元进行通信的i/o端口即temp2_scl引脚、temp2_sda引脚，通过该引脚与环境监测单元中温度采集芯片的数据传输引脚进行连接，进而获取主控板卡所处温度信息，当接收的温度信息超出阈值，主控板卡中fpga芯片控制对应的报警电路进行报警。其中，报警电路可以为led灯和蜂鸣器，均为现有报警电路，其与fpga的具体连接方式不属于本实用新型的保护范围。本实用新型为以fpga作为控制核心的数据采集卡，fpga数据处理能力强，且成本相较于同性能控制器较低，能够节约系统成本开销。
47.在一示例中，传感器阵列单元包括至少128个传感器，此时各传感器对应连接有一信号调理模块，多个信号调理模块输出端连接一模数转换模块，各模数转换模块输出端连接有一控制模块。如图7所示，本示例中采集卡包括8个采集子卡，各采集子卡包括16传感器、16信号调理模块、1模数转换模块(adc转换模块)和1控制模块，1传感器、1信号调理模块、1模数转换模块的1通路(该模块输入至输出对应的通道)、1控制模块的1通路形成一数据采集通道，此时本示例包括128个数据采集通道，各采集子卡包括16路采集通道，能够满
足大数据样本采集要求。
48.在一示例中，信号调理单元包括若干信号调理模块，所述信号调理模块包括顺次连接的增益调节电路和滤波电路。其中，增益调节电路用于实现信号的程控放大，滤波电路用于滤波杂波信号，以保证数据采集的精准度。具体地，如图8所示，增益调节电路包括由ad8250armz增益放大芯片构成的一级增益调节电路、由ad8253armz增益放大芯片构成的二级增益调节电路，用于对前端采集的信号进行放大处理，再通过如图9所示滤波电路对信号的滤波处理，进而实现前端信号的调理预处理。
49.在一示例中，模数转换单元包括8模数转换模块，如图10所示，模数转换模块为型号为ltc2358的adc芯片，每块adc芯片负责8通道信号的模数转换。
50.在一示例中，控制与数据处理单元连接有串口通信单元，如图11所示，通过串口通信电路(串口通信单元)为外部系统或者设备预留串口通信接口，便于实现主控板卡与外部系统或设备之间的通信，实现信息共享。
51.在一示例中，控制与数据处理单元连接有emmc存储单元，具体为emmc芯片klmag1jetd-b041，其数据输入输出端口与主控板卡中fpga芯片的i/o端口连接。在数据采集系统中，一般采用的都是nand flash存储芯片，但在设备多通道长时间采集时，产生的实时采样数据较大，以全部128通道按100ksps采样率，每秒产生的数据量为16bit
×
100k
×
128＝204.8mbit＝25.6mbyte，nand flash芯片一般的读写速度在10mbyte/s以下，难以满足要求。emmc存储芯片支持的最高瞬时读写速率为400mbyte/s，并且在长时间采集中，产生的采样数据很大，nand flash的容量一般在4gb、8gb，而emmc芯片的容量可达128gb，常用的容量也达到64gb(按照25.6mbyte/s的速率，可最长支持41小时的连续采集)支持数据采集系统更长时间的采集，即引入emmc存储单元实现对数据高速读写，且能够进一步提供数据存储容量。更为具体地，以太网通信单元还包括第二以太网通信模块，其与第一以太网通信模块采用相同芯片，电路原理相同，在此不再赘述。控制与数据处理单元经emmc存储单元与第二以太网通信模块连接，同时控制与数据处理单元经串口通信单元与上位机连接，第二以太网通信模块经tcp数据线与上位机通信连接。更为具体地，此时控制与数据处理单元经串口通信单元与上位机连接，即控制与数据处理单元的i/o接口与上位机通信接口连接，此时上位机可通过串口实现对控制与数据处理单元的通信控制，通信控制具体指控制与数据处理单元根据上位机经串口通信单元发送的控制指令(触发信号)，通过第一以太网通信模块、第二以太网通信模块与上位机切换连接，使控制与数据处理单元经两个以太网通信模块与上位机具备两种数据传输的通信方式，即高速实时数据传输模式以及回读传输模式。具体地，当下数据采集场景需满足数据信息的高速实时传输时，上位机通过串口通信单元向控制与数据处理单元发送控制指令，使系统当前工作于高速实时数据传输模式，即使控制与数据处理单元重新组帧后的数据包经第一以太网通信模块以udp协议进行数据实时传输至上位机；当下数据采集场景无需满足数据信息的高速实时传输时，上位机通过串口通信单元向控制与数据处理单元发送控制指令，使系统当前工作于回读传输模式，即使控制与数据处理单元重新组帧后的数据包经emmc存储单元缓存后，经第二以太网通信模块以tcp/ip协议进行数据传输至上位机，实现数据的回读。需要进一步说明的是，上述经串口通信切换控制与数据处理单元与上位机之间的通信协议的程控方式属于本领域技术人员的公知常识，不在本实用新型请求保护的范围之内。
52.多通道数据采集系统目前在通道数较少时，一般在十几或几十通道时，产生的实时采样数据不大，可使用以太网传输数据。通道数上百甚至更多之后，实时采样数据较大，以太网通信不能满足实时传输要求，系统一般是先对采样数据进行本地存储，采集结束后再进行回读和传输。本实用新型系统除了对本地存储数据的回读模式之外，还可在数据采集系统实时采集时选择通道数据进行实时传输，能够实时查看采样数据，实现实时监控功能。在电路中，使用两块硬件协议栈芯片w5500，根据外部触发信号便能方便快捷的完成传输协议的更改，实现了不同过程使用不同协议的传输功能。
53.在一示例中，系统还包括电源单元，电源单元包括第一电源电路模块和第二电源电路模块；第一电源电路模块为采集卡中各单元提供工作电压，即能够输出不同工作电压；第二电源电路模块(电源管理模块)为主控板卡各单元提供工作电压，即能够输出不同工作电压。
54.本实用新型基于fpga的多路数据采集与传输系统通过以太网与上位机(pc端)进行连接，在系统开始数据采集工作前，主控板卡中控制与数据处理模单元与第一以太网通信模块连接，即使用tcp/ip协议传输方式与pc端进行通信保证稳定接收来自pc端的配置信息，配置信息包含增益放大倍数、adc采样率、采样方式、选通采集子卡标号等，pc端的配置信息传输至主控板卡中的以太网通信单元，从该单元读取信息并缓存，将其送至主控板卡中fpga(控制与数据处理单元)，fpga将配置信息按协议格式进行拆分，重新恢复为具体配置命令信息。解析完成后，主控板卡通过spi协议将配置信息传输至采集子卡。
55.采集子卡接收到配置信息，将信息划分为增益放大倍数、adc采样率和滤波器参数，分别对增益调节电路、adc转换芯片和滤波电路进行参数配置。为保证参数的正确配置，在子卡fpga对增益放大芯片和adc芯片配置后，采集子卡fpga重新读取增益放大芯片和adc芯片配置的寄存器数值，并送至主控板卡fpga进行判断，若与从pc端接收的配置数值相符合，则给出信号至采集子卡表示配置正确可以开始采集。
56.各采集子卡在配置完成后，接收到pc端的采集命令后开始采集。传感器阵列数据采集后输入到采集子卡中的信号调理模块，进行增益调节和滤波，处理完成后送至adc转换模块，转换模块根据之前配置对采样数据进行ad转换并输入到fpga控制模块。fpga控制模块对数据进行缓存和组帧打包送至spi通信模块，把采样数据送到主控板卡。
57.主控板卡同时与8张采集子卡连接，通过spi协议接收到各集子卡的采样数据后进行并串转换操作和组帧打包操作并送至emmc存储单元。
58.若在采集过程中，主控板卡接收到串口的触发信号，主控板卡则选择第二以太网通信模块与上位机进行实时数据传输传输协议为udp模式；第一以太网通信模块的通信模式保持不变，依旧为tcp传输模式。第二以太网通信模块从全部采样数据中从8张采集板卡中选取第一个通道数据(即1、17、33、49、65、81、97、113通道)进行重新组帧打包，并将重新组帧数据通过网口传输至pc端。
59.采集完成后，为保证上位机命令和回读数据的稳定传输，可通过串口(串口通信单元预留的通信接口)再次向主控板卡发送触发信号，使主控板卡的仅以第一以太网通信模块进行数据传输，即恢复至tcp/ip传输模式(回读传输模式)。上位机可对采集设备发送回读指令，设备接收指令进行解析和判断，检测到回读指令后，从emmc存储芯片中读取采样数据，并通过以太网通信模块进行数据传输。
60.以上具体实施方式是对本实用新型的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本实用新型的保护范围。