基于等效时间采样的高速数据采集及无线发射系统的设计
|
摘要
本文以“窄脉冲时域反射仪的设计”课题为背景,针对该仪器产生的波形特点:在同一次测试中多次启动发射电路将产生一个固定的波形。对该固定波形,采用精确设计采样点,把高速数据采样转换为相应的多次低速采样,并将采集所得波形进行重新拼凑,达到高速数据采集的目的,采集数据的传输采用RF无线传输模式。
系统采用了一组较低采样速率的A/D(模拟/数字)转换芯片和较低速大容量的存储芯片,通过计数器计时结合专门编写的控制模块精确确定采样时间,由此产生的时钟控制信号精确地控制低速A/D转换芯片的采样点,并存入对应的存储单元,最后将数据按照高速采集的要求重新组合,达到高速数据采集的要求。本文在深入地讨论了基于CPLD(Complex Programable Logic Device,复杂可编程逻辑器件)技术的电路的设计过程的基础上,详细叙述了数据采集逻辑控制模块的硬件研制过程、系统软件设计过程和VHDL(VHSIC Hardware Description Language)硬件描述语言设计过程。设计了无线数据发射模块。
该系统具有较高的性能价格比,满足设计的频率100MHZ的数据采集所需要求,具有较高的实用价值,并且采用了ISP(In System Programable,在系统可编程)技术,使得电路的修改和升级像软件一样方便、快捷,整机体积也大大缩小了,满足了发展的需要,并加快了该项目的开发进度。整个系统具有较简单的硬件电路和较低的成本,并且可以有效提高窄脉冲时域反射仪的测量精度,同时该系统以其高的性能价格比使其在RGB图象处理、高精度视频、数字存储示波器、电力电缆故障测试、国防、航空航天、通讯等领域可以得到广泛的应用。
The paper is under the background of‘Narrow-pulse Time Domain Reflectometry’(Narrow-pulse TDR). Based on the characteristics of the wave, the paper realize the high-speed data acquisition by means of acquire a fixed wave many times and data processing. In addition, the paper mainly discusses and analyzes the theory and structure of high-speed data acquisition system andante-jamming technology. The transmission of collecting data uses RF wireless transmission mode.
The high-speed data acquisition system uses low speed sample rate A/D converter and low speed memorizer. The system generates time sequence by the counter and control module. The system control the low speed sample rate A/D converter and low speed memorizer via the time sequence. At last, the paper describes the control strategy of the A/D converter and memorizer by using the VHDL(VHSIC hardware description language)based on CPLD (Complex Programmable Logic Device), designs the wireless module of data transmission.
In the end, the high-speed data acquisition system uses low speed sample rate A/D converter and low speed memorizer, so the system has simple hardware and low cost Because of using ISP (In System Programable) technology, it makes develop project more rapid and makes modify hardware circuit more easy. So combined with use of soft ware, the high-speed data-acquisition system can improve the test precision of the Narrow-pulse TDR and similar test system. Because of its high capability and low cost, it can be used in many fields widely, such as: image manipulation, high-precision video, digital storage oscillograph, cable fault location, national defence, aerospace industry and communications.
系统采用了一组较低采样速率的A/D(模拟/数字)转换芯片和较低速大容量的存储芯片,通过计数器计时结合专门编写的控制模块精确确定采样时间,由此产生的时钟控制信号精确地控制低速A/D转换芯片的采样点,并存入对应的存储单元,最后将数据按照高速采集的要求重新组合,达到高速数据采集的要求。本文在深入地讨论了基于CPLD(Complex Programable Logic Device,复杂可编程逻辑器件)技术的电路的设计过程的基础上,详细叙述了数据采集逻辑控制模块的硬件研制过程、系统软件设计过程和VHDL(VHSIC Hardware Description Language)硬件描述语言设计过程。设计了无线数据发射模块。
该系统具有较高的性能价格比,满足设计的频率100MHZ的数据采集所需要求,具有较高的实用价值,并且采用了ISP(In System Programable,在系统可编程)技术,使得电路的修改和升级像软件一样方便、快捷,整机体积也大大缩小了,满足了发展的需要,并加快了该项目的开发进度。整个系统具有较简单的硬件电路和较低的成本,并且可以有效提高窄脉冲时域反射仪的测量精度,同时该系统以其高的性能价格比使其在RGB图象处理、高精度视频、数字存储示波器、电力电缆故障测试、国防、航空航天、通讯等领域可以得到广泛的应用。
The paper is under the background of‘Narrow-pulse Time Domain Reflectometry’(Narrow-pulse TDR). Based on the characteristics of the wave, the paper realize the high-speed data acquisition by means of acquire a fixed wave many times and data processing. In addition, the paper mainly discusses and analyzes the theory and structure of high-speed data acquisition system andante-jamming technology. The transmission of collecting data uses RF wireless transmission mode.
The high-speed data acquisition system uses low speed sample rate A/D converter and low speed memorizer. The system generates time sequence by the counter and control module. The system control the low speed sample rate A/D converter and low speed memorizer via the time sequence. At last, the paper describes the control strategy of the A/D converter and memorizer by using the VHDL(VHSIC hardware description language)based on CPLD (Complex Programmable Logic Device), designs the wireless module of data transmission.
In the end, the high-speed data acquisition system uses low speed sample rate A/D converter and low speed memorizer, so the system has simple hardware and low cost Because of using ISP (In System Programable) technology, it makes develop project more rapid and makes modify hardware circuit more easy. So combined with use of soft ware, the high-speed data-acquisition system can improve the test precision of the Narrow-pulse TDR and similar test system. Because of its high capability and low cost, it can be used in many fields widely, such as: image manipulation, high-precision video, digital storage oscillograph, cable fault location, national defence, aerospace industry and communications.
引文
[1] 吴清收. 高速数据采集系统. 硕士学位论文. 山东:山东科技大学, 2001
[2] 沈兰荪. 高速数据采集系统的原理与应用[M]. 北京:人民邮电出版社, 1995
[3] 沈兰荪. 数据采集技术[M]. 合肥:中国科学技术大学出版社, 1990
[4] 肖忠祥. 数据采集原理[J]. 西安:西北工业大学出版社, 2001
[5] 何培忠. 单片机控制的高速数据采集系统. 数据采集与处理[J], 1999,14(4):501~504
[6] 龚兰芳. 基于 ISP 技术的高速数据采集模块的研制. 硕士学位论文. 武汉:武汉理工大学, 2004
[7] 庞晓辉. 高速数据采集及存储技术[J]. 华中理工大学学报, 2006, 27(3)
[8] A/D 和 D/A 转换器应用手册[M]. 上海科学普及出版社
[9] TLC5540 8-BIT HIGH-SPEED ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/tlc5540.html
[10] 徐维祥, 刘旭敏. 单片机微型机原理及应用[M]. 大连:大连理工大学, 2001
[11] 杨景常 . 高速数据采集系统中数据存储电路的方案确定 [J]. 测控技术 , 2001,20(12):42～45
[12]CY7C109 http://www.cypress.com/portal/server.pt/gateway/PTARGS_0_2_1524_209_259_43/http%3B/sjapp20%3B7001/publishedcontent/publish/design_resources/datasheets/contents/cy7c109b_5.pdf
[13] 徐丙垠, 李胜祥, 陈宗军. 通信电缆线路障碍测试技术[M]. 北京:北京邮电大学出版社, 2000. 77～79.
[14] 宋文阁, 倪国涛等. DSSOC320 单片机 12 位高速数据采集系统[J]. 大连:大连轻工业学院学报, 1998, 17(2): 3033
[15] Bill Travis.16-bit ADC provides 19-bitre solution.EDN,2002,000(1)E 101-E101
[16] 李广均, 孟宪元. 可编程 ASIC 设计及应用[M]. 成都:电子科技大学出版社, 2000
[17] 曾繁泰, 侯亚宁, 崔元明. 可编程器件应用导论[M]. 北京:清华大学出版社, 2001
[18] 曾繁泰, 陈美金. VHDL 程序设计[M] . 北京:清华大学出版社, 2000
[19] 侯伯亨, 顾新. VHDL 硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M] . 西安:西安科技大学出版社, 1999
[20] 汉泽西等. EDA 技术及其应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2004. 12~25
[21] 赵曙光, 郭万有, 杨颂华. 可编程逻辑器件原理、开发与应用[M]. 西安:西安电子科技大学出版社, 2000. 31~42
[22] MAX 7000 Programmable Logic Device Family Data Sheet http://www.altera.com.cn/literature/ds/m7000.pdf
[23] EPM7128E & EPM7128S Dedicated Pin-Outs http://www.altera.com.cn/literature/dp/max7k/epm7128e.pdf
[24] 王小军. VHDL 简明教程[M]. 北京:清华大学出版社, 1997
[25] 付杨. VHDL 语言和 ISP 器件在数字电路设计中的应用[J]. 华北航天工业学院学报, 2001, 11: 2122
[26] 黄正瑾. 在系统编程技术及其应用. 南京:东南大学出版社[M], 1999
[27] 杨振江. A/D、D/A 转换器接口技术与使用线路[M]. 西安:电子科技大学出社, 1998
[28] http://vhdl.org
[29] Andrew Rushton.VHDL for Logic Synthesis[M].1998.
[30] Kevin Skahill.VHDL for Programmable Logic[M].A ddison-Wesley,1998.
[31] H.G.Rotithor. A High—performance pipelined Architecture for measurement and Monitoring of Multiple Sensor signals.IE EET rans.Instrum.2000,12:1 00~109
[32] 赵新民. 智能仪器原理及设计[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1990
[33] 孙焕根. 电子测量与智能仪器[M]. 杭州:浙江工业大学出版社, 1992
[34] 赵茂泰. 智能仪器原理及应用[M]. 北京:电子工业出版社, 1999
[35] 王兆民. 数据采集和管理系统中的串口通讯. 船舶, 2002 (6): 60~61
[36] 雷丽文. 微机原理与接口技术[M]. 北京:电子工业出版社, 1997
[37] 翟生辉, 冯毛官. 单片计算机原理与应用[M]. 西安:西安交通大学出版社, 1995
[38] 邵钟武, 柴勤忠, 马小敏. 数据采集系统. 北京:石油大学出版社, 1998
[39] 黄祯平. 微机控制系统的抗干扰技术应用[J]. 电脑与信息技术,2000(5):39～42
[40] 周伟. 基于等效时间采样的探地雷达回波信号采样方法研究[J]. 雷达科学与技术,2004,2(1): 43~47
[41] 庞晓辉. 基于等效时间采样原理的高速数据采集系统研究. 无线电工程, 1999, 29(4): 29~30
[42] 张国礼. 基于随机采样的高速数据采集系统设计. 硕士学位论文. 西安:西安电子科技大学, 2005
[43] 唐东峰. 高速数据采集卡设计和实现. 硕士学位论文. 武汉:华中科技大学, 2006
[2] 沈兰荪. 高速数据采集系统的原理与应用[M]. 北京:人民邮电出版社, 1995
[3] 沈兰荪. 数据采集技术[M]. 合肥:中国科学技术大学出版社, 1990
[4] 肖忠祥. 数据采集原理[J]. 西安:西北工业大学出版社, 2001
[5] 何培忠. 单片机控制的高速数据采集系统. 数据采集与处理[J], 1999,14(4):501~504
[6] 龚兰芳. 基于 ISP 技术的高速数据采集模块的研制. 硕士学位论文. 武汉:武汉理工大学, 2004
[7] 庞晓辉. 高速数据采集及存储技术[J]. 华中理工大学学报, 2006, 27(3)
[8] A/D 和 D/A 转换器应用手册[M]. 上海科学普及出版社
[9] TLC5540 8-BIT HIGH-SPEED ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/tlc5540.html
[10] 徐维祥, 刘旭敏. 单片机微型机原理及应用[M]. 大连:大连理工大学, 2001
[11] 杨景常 . 高速数据采集系统中数据存储电路的方案确定 [J]. 测控技术 , 2001,20(12):42～45
[12]CY7C109 http://www.cypress.com/portal/server.pt/gateway/PTARGS_0_2_1524_209_259_43/http%3B/sjapp20%3B7001/publishedcontent/publish/design_resources/datasheets/contents/cy7c109b_5.pdf
[13] 徐丙垠, 李胜祥, 陈宗军. 通信电缆线路障碍测试技术[M]. 北京:北京邮电大学出版社, 2000. 77～79.
[14] 宋文阁, 倪国涛等. DSSOC320 单片机 12 位高速数据采集系统[J]. 大连:大连轻工业学院学报, 1998, 17(2): 3033
[15] Bill Travis.16-bit ADC provides 19-bitre solution.EDN,2002,000(1)E 101-E101
[16] 李广均, 孟宪元. 可编程 ASIC 设计及应用[M]. 成都:电子科技大学出版社, 2000
[17] 曾繁泰, 侯亚宁, 崔元明. 可编程器件应用导论[M]. 北京:清华大学出版社, 2001
[18] 曾繁泰, 陈美金. VHDL 程序设计[M] . 北京:清华大学出版社, 2000
[19] 侯伯亨, 顾新. VHDL 硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M] . 西安:西安科技大学出版社, 1999
[20] 汉泽西等. EDA 技术及其应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2004. 12~25
[21] 赵曙光, 郭万有, 杨颂华. 可编程逻辑器件原理、开发与应用[M]. 西安:西安电子科技大学出版社, 2000. 31~42
[22] MAX 7000 Programmable Logic Device Family Data Sheet http://www.altera.com.cn/literature/ds/m7000.pdf
[23] EPM7128E & EPM7128S Dedicated Pin-Outs http://www.altera.com.cn/literature/dp/max7k/epm7128e.pdf
[24] 王小军. VHDL 简明教程[M]. 北京:清华大学出版社, 1997
[25] 付杨. VHDL 语言和 ISP 器件在数字电路设计中的应用[J]. 华北航天工业学院学报, 2001, 11: 2122
[26] 黄正瑾. 在系统编程技术及其应用. 南京:东南大学出版社[M], 1999
[27] 杨振江. A/D、D/A 转换器接口技术与使用线路[M]. 西安:电子科技大学出社, 1998
[28] http://vhdl.org
[29] Andrew Rushton.VHDL for Logic Synthesis[M].1998.
[30] Kevin Skahill.VHDL for Programmable Logic[M].A ddison-Wesley,1998.
[31] H.G.Rotithor. A High—performance pipelined Architecture for measurement and Monitoring of Multiple Sensor signals.IE EET rans.Instrum.2000,12:1 00~109
[32] 赵新民. 智能仪器原理及设计[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1990
[33] 孙焕根. 电子测量与智能仪器[M]. 杭州:浙江工业大学出版社, 1992
[34] 赵茂泰. 智能仪器原理及应用[M]. 北京:电子工业出版社, 1999
[35] 王兆民. 数据采集和管理系统中的串口通讯. 船舶, 2002 (6): 60~61
[36] 雷丽文. 微机原理与接口技术[M]. 北京:电子工业出版社, 1997
[37] 翟生辉, 冯毛官. 单片计算机原理与应用[M]. 西安:西安交通大学出版社, 1995
[38] 邵钟武, 柴勤忠, 马小敏. 数据采集系统. 北京:石油大学出版社, 1998
[39] 黄祯平. 微机控制系统的抗干扰技术应用[J]. 电脑与信息技术,2000(5):39～42
[40] 周伟. 基于等效时间采样的探地雷达回波信号采样方法研究[J]. 雷达科学与技术,2004,2(1): 43~47
[41] 庞晓辉. 基于等效时间采样原理的高速数据采集系统研究. 无线电工程, 1999, 29(4): 29~30
[42] 张国礼. 基于随机采样的高速数据采集系统设计. 硕士学位论文. 西安:西安电子科技大学, 2005
[43] 唐东峰. 高速数据采集卡设计和实现. 硕士学位论文. 武汉:华中科技大学, 2006