摘 要

数据采集卡的功能是将模拟信号输入，然后转化成数字信号并且加以已处理，最终输出，是信息传递和处理系统的重要组成部分。

本次设计是基于FPGA进行的设计，FPGA配置具有很高的灵活性，还有丰富的IP核资源，很大程度上简化了存储模块的读写。本次使用DE1-SOC 开发板加扩展模块组成试验箱进行设计，芯片是Cyclone V系列的5CSEMA5F31C6芯片，板上集成有DDR控制器，外接DDR3颗粒(1GB)。HPS和FPGA通过内部的桥接可以实现相互访问，最大访问空间为1GB，速度最高可达800MHz (1600Mbps)。 试验箱中还有12bit高精度ADC作为模数转换的核心模块，可以实现射频、中频模拟信号放大、滤波以及采样等各种功能的处理。软件编程使用Quartus II软件，编辑VHDL语言实现对硬件电路的逻辑控制，实现设计所需要的功能。

关键词：FPGA；数据采集卡；DE1-SOC 开发板；Quartus II

Abstract

The function of the data acquisition card is to input the analog signal, and then converted into a digital signal and processed, the final output, information transmission and processing system is an important part.

This design is based on FPGA design, FPGA configuration has a high flexibility, there are a wealth of IP core resources, largely simplifies the memory module read and write. The use of DE1-SOC development board plus expansion module composed of test chamber design, the chip is Cyclone V series 5CSEMA5F31C6 chip, integrated on the board with a DDR controller, external DDR3 particles (1GB). HPS and FPGA through the internal bridge can achieve mutual access, the maximum access space of 1GB, the speed of up to 800MHz (1600Mbps). Test box there are 12bit high-precision ADC as the core module of analog-to-digital conversion, can achieve RF, IF analog signal amplification, filtering and sampling and other functions of the treatment. Software programming using Quartus II software, edit the VHDL language to achieve the logic of the hardware circuit control, to achieve the design of the required functions.

Key Words：FPGA ;Data acquisition card ;DE1-SOC development board ;Quartus II

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 课题研究目的 2

1.3 国内外研究现状 2

1.4 课题研究内容 3

第2章 课题研究相关技术 4

2.1 了解FPGA 4

2.2 了解Quartus II 5

2.2.1 Quartus II新建工程 5

2.2.2 下载至芯片流程 6

第3章 系统设计 7

3.1 系统结构与框架 7

3.2 试验箱介绍 8

3.3 芯片选择 9

第4章 软件设计 11

4.1 程序总流程 11

4.2 ADC采样控制模块 11

4.3 LCD显示模块 12

4.4 分频模块 14

第5章 总结与展望 16

5.1 总结 16

5.2 展望 17

参考文献 18

附录 19

致谢 21

第1章 绪论

本章对课题研究的背景、目的、意义、国内外研究现状、课题研究内容和预期目标进行了综合的论述。

1.1 课题研究背景及意义

随着科技的不断发展，现代的信号处理技术得到了很大的发展，各种传输协议都渐渐发展完善，在这一基础上，现代数据采集技术的研究就显得尤为重要了。数据采集技术有着非常广泛的应用，在雷达系统、图像采集和处理、信号检测、无线电通信等很多领域都起着非常关键的作用，而不同的使用往往需要不同类型的数据采集系统，正是因为这样，对数据采集系统研究是非常有必要的^[1]。

人们的生活与电子技术息息相关，几秒钟时间出现的问题都可能会造成巨大的损失，断电几秒钟可能几小时的运算都就白费了，避免这样的损失，需要加强电网的监测。工业制造过程中，一个程序出现问题很可能导致全部的产品都不合格，避免这种问题，需要加强工业的监测。在日常的生产生活当中，许多地方都需要精密的监测，而这些位置都需要数据采集卡的使用，甚至是需要高精度高强度的连续不断全天候监测，这对数据采集卡的质量和性能都提出了很高的要求，需要加大投入去研究。

数据采集卡在不同领域发挥着不同的作用，以此为依据对数据采集卡进行分类大致可以分成两大类，一类是便捷式数据采集卡，另一类是在线式数据采集卡。便携式数据采集卡，顾名思义，就是方便携带的数据采集卡，适用于许多需要现场采集的场合，现如今非常普遍的扫描二维码就属于这类的范畴。而在线式数据采集卡则与之相反，不方便携带，使用时需要将被采集的样本带到设备当中才能采集，这一类数据采集卡往往是因为功能复杂而难以缩小设备，适用于一些比较复杂的采集工作，医院当中很多检查人体的仪器就属于这一类的范畴。当然，现如今的数据采集卡往往不单独存在，而是集成到另外的设备当中，作为其中的一部分来发挥作用。

数据采集系统的核心就是AD转换以及数据存储和控制的中央单元。根据不同的需求和不同的应用领域，数据采集卡的各项参数需求都会有所区别。现如今的ADC大多能够达到百兆以上的转换速率，如此高速度的运行确保数据的实时性和准确性是非常关键的。FPGA通过软件编程控制硬件电路，准确性高，运行速度快，设计出的数据采集卡具有准确高速等许多优点。

大规模集成电路发展日益成熟精进，电子器件的体积不断变小，更加方便，价格也随着不断降低，小型化、高功能、高速度的数据采集卡是数据采集卡的发展方向。基于FPGA的数据采集卡集程度高，传输速率快，同时具有很高的即时性和准确性，以此为基础设计的数据采集卡符合采集卡所需各项条件，可以应用于各个领域。

1.2 课题研究目的

智能仪器的开发与使用是当今发展的重要方向，而模拟信号的使用存在很多问题，模拟仪器的输出动态范围很小，对大信号的线性处理差，导致整个仪器的精密度降低，并且还有无法记录信号等缺点。因此，现在技术在模拟信号处理时，，通常会使用ADC将模拟信号转化为数字信号，数字信号的处理避开了模拟信号处理的缺陷，所以使用了ADC的模拟仪器在数据精度、使用灵活性和电路构造简单等方面有着很大的优势。因而现今的电子技术中，模拟技术和数字技术共同使用，协同发挥作用成为了主流方向，由此就凸显出了数据采集卡的重要作用。