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基于FPGA的气体数据采集系统的研究 　　摘要：与传统单片机相比较，FPGA 无论是在运行速度和还是功耗等方面具有较大优势，可以确保数据的分析和实时处理；FPGA拥有诸多优点，快速的时序，灵活的组成方式并行计算的特点，与外部ADC相结合，为实现高速数据采集提供了硬件平台。为了实现高精度的在线气体检测和快速的数据分析，设计基于FPGA和高速模/数转换器AD7862的数据采集系统。 　　关键词：FPGA AD7862 数据采集 气体检测 　　中图分类号：TP332 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）10-0045-02 　　1 概述 　　随着我国经济走入上升阶段，人们生活水平越来越好，汽车已经成为重要的出行工具，与此同时，大量有害气体的排放越来越威胁到人类健康和生活环境，成为城市污染的主要来源之一。汽车尾气中所含的污染物例如一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）已经成为全球气候变暖的主要因素，另外释放的粉尘和颗粒物等也严重影响了空气的质量。随着城市化进程加快，气体在线检测与控制，成为了环境与生态保护的重要现实问题。 　　数字化在检测、控制等领域得到应用，将模拟信号转换成数字信号进行处理显得的更为直观。AD转换实现的就是将输入的模拟信号转换为二进制数字信号的过程。如果模拟信号随时间变化的最高频率为ωmax，只要按照采样频率ωs≥2ωmax进行采样，那么取出的样品系列（f1*（t），f2*（t），…）就足以代表（或还原）f（t）。其主要包括采样、保持、量化和编程4个过程[1]。 　　AD的转换的要求是与一个特定的应用相对应的，只有较高的转化率，才能在气体监测中，完成对气体浓度的实时检测；而AD转换和FFT的位数则直接影响了最终的精度[2]。一些自带AD的单片机的数据处理不仅速度慢，而且AD位数也不满足要求。在线实时检测，传感器收集的信息，需要后端进行即时有效地分析和处理，这样工作量是非常大的。相比于拥有传统电路的单片机，FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）技术无论是在工作速度还是在功耗等方面都是以往的单片机不能比拟的。因此，采用AD7862实现快速、精准的模数转换，同时应用FPGA平台进行设计，能够实现在线实时尾气采集监测。 　　2 系统的整体结构 　　本系统中，通过功放电路来使输入信号达到AD转换芯片要求，输入AD的两个通道，然后利用FPGA产生的时序信号控制AD转换芯片工作，发送数字信号进行开始、结束，并对AD转换芯片返回的数据处理后，将结果显示到LED。数据采集系统框图如图1所示。 　　2.1 FPGA芯片选取 　　该系统采用的核心芯片是CycloneⅡ系EP2C35F672C6，控制AD转换芯片及转换结果的数据处理。该芯片可提供200个差分通道，共有672个引脚，其中475个I/O引脚供用户使用，33216个逻辑单元被整合，总比特数达到483840，18×18位乘法器集成了35个，锁相环（PLL）和高速差分I/O接口等，采用1.2V电源为芯片内核供电，功耗低，可直接与DSP连接，将采集后的数据提供给DSP作数据处理。提供了先进的时钟管理功能，如频率合成、可编程相移、外部时钟输出、可编程占空比、锁定检测、可编程带宽、输入时钟扩频和支持高速差分输入输出时钟信号；其还提供了一个片内CRC自动校验电路，而不需要额外的外部逻辑就可以在设计过程中轻松实现CRC校验，CRC校验主要是用来确保数据可靠，同时也是减少单一事件干扰的最佳选择。 　　使用FPGA设计数字系统电路具有以下主要特点： 　　（1）设计灵活使用FPGA时需要对片内的RAM进行编程，其工作状态的都是由存放在片内RAM中的程序来设置得，所以不同的配置模式需要用户采用不同的编程方式。 　　（2）工作速度快FPGA的设计是并行的设计思路，而不是像软件设计那样顺序执行思想，这样的设计大大的减少了系统的工作时间，提高了工作速度。 　　（3）高集成度几十片甚至上百片小规模的数字集成电路芯片可能仅仅被一片FPGA取代。 　　（4）降低成本FPGA的工艺发展日趋成熟，已经克服了身价高的缺点[3]，具有很高的性价比。 　　2.2 芯片AD7862 　　AD7862是一款高速、低功耗、双核12bitADC，使用+5V单电源为其供电。有4个模拟输入通道，被分为两个通道（A和B），通过A0输入通道选择。同时，每一个通道又有两个输入（VA1和VA2或VB1和VB2），可以同时完成采样和转换任务，使两个模拟输入信号相对相位信息得以保持。模拟输入信号过压保护允许输入电压可以达到±17V、±7V或+7V，为了使芯片不会造成损坏，模拟输入信号必须在±10V[4]（AD7862-10）、0到2.5