摘 要

在如今信息化时代，日新月异的技术手段创造了功能各异且强大的高科技设备仪器的同时也伴随着大量的数据的产生，尤其在高新技术领域、航空航天、地理探测等领域，数据的采集与处理对于工业生产有着至关重要的作用，所以数据采集系统的性能要求显得尤为重要。

本文针对当前对多通道高速高精度数据采集系统的需求，设计了一种多参数同步采集设备，能够同步对多种类型的信号进行多通道采集，实时准确对各类数据进行同步采集、存储并传输到上位机。该系统以Xilinx公司推出的可扩展处理平台ZYNQ7020芯片为核心，搭建FPGA处理器模块，配合多块16位多通道高速并行AD采集芯片AD7606，采集速率达到200K，同时进行温度、压力、振动信号等信号的采集，将数据采集并存储在SDRAM或Flash之中，并预留网口与上位机进行数据传输，FPGA作为系统的控制核心芯片可提高系统稳定性，减少设备面积。

论文框架以FPGA核心控制模块、AD采集模块、网口传输模块展开，设计出适应当前使用需求的高速、高精度、多通道数据采集系统，在高速数据采集及相关领域有着广泛的应用前景。

关键字：数据采集 多通道 高速采集 同步 ZYNQ7020

Abstract

With the rapid development and progress of information technology and progress, The ever-changing technology creates powerful high-tech equipment and instruments with different functions,also create a large amount of data especially in the field of high-tech, aerospace, detection, etc. in geography.The performance of DAQ becomes more and more important,so multi-channel high-speed high-precision data acquisition system came into being.

In this paper,we design a synchronous multi-parameter acquisition device for the current demand for multi-channel high-speed high-precision data acquisition system,it can acquire and storage various types of data concurrently, accurately and synchronously,and transport the data to the computer.The core chip of our system is ZYNQ7020 produced by Xilinx company.We use it to set up the basic FPGA module,aided with several pieces of ADCs of AD7606,a 16-bits multi-channel, high-speed, parallel chip,acquires diffierent signals such as temperature, pressure and vibration concurrently.And then storage these data in SDRAM or Flash.Moreover,we need to reserved an ethernet port to send these data to the computer.as the core controlled chip of this system,FPGA can improve the stability of our system,and decrese the area of the device.

This paper expanded with a frame of three modules which include FPGA controller module,AD acquisition module and ethernet transport module.Our data acquisition system has a feature of multi-channel, high-speed, high-precision.It has broad application prospects in high-speed data acquisition and related fields.

Key words：data acquisition；multi-channel；high-speed；synchronously；ZYNQ7020

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3本文的主要内容 3

第2章 多参数同步采集原理 5

2.1 FPGA工作原理简介 5

2.1.1 FPGA技术简介 5

2.1.2 ZYNQ7020系列芯片简介 6

2.2 数据采集原理 8

2.3模数转换器的分类及主要指标 9

2.3.1模数转换器的分类 9

2.3.2模数转换器的主要指标 9

2.4 以太网传输原理与传输协议 10

2.4.1以太网简介 10

2.4.2以太网协议 10

2.5 同步采集原理 10

2.6 本章小结 11

第3章 多参数同步采集系统设计 12

3.1系统硬件电路设计 12

3.2 铂电阻温度传感器信号采集电路设计 12

3.2.1 铂电阻温度传感器测温原理 13

3.2.2 铂电阻温度传感器测温电路设计 14

3.3 压力传感器原理及设计 14

3.3.1 压阻式压力传感器原理 15

3.3.2 压阻式压力传感器电路设计 16

3.4 振动信号采集原理及电路设计 16

3.4.1ICP振动传感器原理 16

3.4.2升压模块设计 17

3.4.3恒流源模块设计 19

3.5 AD采集电路原理及设计 21

3.6 FPGA逻辑设计 24

3.7 本章小结 26

第4章 采集系统性能测试与总结展望 27

4.1采集系统测试结果 27

4.1.1 硬件系统测试 27

4.1.2 采集功能测试 28

4.2总结与展望 33

参考文献 35

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

科技方面的飞速进步，推动了信息技术的发展，尤其是在信息获取方面，人们的通信方式越来越多样化，同时信息传递的高准确率和高速得到了人们的关注。而信息传递的最终形式便是数据的交换，于是，各种各样的数据在现代社会呈现爆炸式的增长，数据的处理与存储成为信息传递的最基础的工作。除了日常通信以外，在工业领域上，信息的传递与数据的采集同样是必不可少的一个重要流程，在生产过程中，需要时刻关注机器设备的运作状态，保证机器能够持续的正常运行，这一点在设备故障监测系统中体现得尤为明显，大部分的检测设备结构复杂，检测信号多种多样，运动形式不确定，这就需要一个全面的数据采集设备能够实时地对机器运作时反馈的数据、信号进行识别、分析，判断设备的运行状态。而实时，准确的对各类数据进行同步采集、记录与存储能保证对工业设备的实时监控与检测，有效地对多参数信号进行同步采集与存储，确保工业生产的安全^[3]。

数据采集系统是现代工业生产中难以替代的一个重要组成部分，尤其是在信号与信息处理系统这种以数据采集为核心的应用中。数据采集系统在现代工业控制及自动化领域内正在体现出越来越重要的作用。

一个完整的数据采集系统的整个流程，就是通过各类电类传感器或者FBG传感器等采集到工业生产分析所需要的各种类型的模拟信号，如温度、压力、振动等等，然后再通过模数转换器或者采集卡转换成计算机能够识别的数字信号，按照一定的通信协议，传到上位机或者相应的信号处理系统，进行存储和计算。数据采集系统一般具有如下特点：