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基于FPGA和DSP的嵌入式多通道数据采集与处理系统

作　者: 王寅超
导　师: 郑正奇
学　校: 华东师范大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 数据采集 多通道 FPGA DSP Verilog HDL
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 505次
引　用: 1次
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内容摘要


随着计算机技术和信息技术的飞速发展与普及,数字信号处理理论和技术应运而生,在语音、雷达、声纳、地震检测、图像处理、通信、遥感遥测、航空航天、电力系统和工业自动化控制等众多领域得到了广泛的应用[9]。本论文基于上海港港口集装箱堆高检测的应用需求,设计了基于FPGA和DSP的多通道数据采集与处理系统,对堆高检测系统中的多通道微波测距雷达中频信号进行数字化采集与处理,最终得到各通道雷达信号的频率参数。在具体的系统设计方面,本论文的研究过程分为两个阶段。在第一阶段的工作中,设计并实现了基于FPGA和USB的多通道数据采集模块,该模块将采样得到的原始数据通过USB接口传输至上位机进行数字信号处理,最终得到各通道的频率参数。该数据采集模块现已成功应用于港口集装箱堆高检测系统,模块性能理想,工作稳定可靠。在第二阶段的工作中,针对FPGA+USB+PC的数据采集与处理系统在实际应用中的缺点和不足,在其基础上进行改进,最终设计了FPGA+DSP的硬件结构,充分发挥FPGA的逻辑控制能力和DSP的数据处理能力,无需PC介入即可完成数据采集和处理流程。在设计过程中,提出并实现了FPGA和DSP复用同一块SRAM存储芯片的数据接口结构,通过将SRAM芯片直接映射到DSP数据空间的方法,无需经过额外的数据传输过程,即可实现DSP对原始采样数据的获取,提高了数据处理的效率。本论文对两个阶段的软、硬件研究设计过程进行了详细的论述,并进行了完整的系统测试和结果分析。测试结果表明,本设计能够对六通道测距雷达信号进行数字化采集、存储和处理,处理结果准确。不仅可以满足港口集装箱堆高检测的设计要求,经过二次开发还可以适用于其它数据采集和处理的应用场合,具有良好的应用价值。

全文目录


摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
第一章 绪论  11-15
  1.1 研究背景和意义  11
  1.2 国内外发展现状  11-12
  1.3 本论文的主要研究内容  12-13
  1.4 本论文的结构安排  13-14
  1.5 本章小结  14-15
第二章 系统总体方案设计  15-19
  2.1 系统设计目标  15
  2.2 系统总体结构  15-17
    2.2.1 数据采集模块方案设计  16-17
    2.2.2 数据处理模块方案设计  17
  2.3 系统的设计实现步骤  17-18
  2.4 本章小结  18-19
第三章 基于FPGA和USB的数据采集模块设计  19-46
  3.1 数据采集模块总体结构  19
  3.2 数据采集模块硬件设计  19-32
    3.2.1 电源设计  20
    3.2.2 FPGA最小系统  20-24
    3.2.3 信号调理电路  24-25
    3.2.4 采样定理和ADC的选型  25-28
    3.2.5 采样数据的存储  28-30
    3.2.6 USB接口设计  30-32
  3.3 FPGA的控制逻辑软件设计  32-40
    3.3.1 FPGA控制逻辑的总体设计  32-33
    3.3.2 时序逻辑电路时钟的产生  33
    3.3.3 多通道数据采样控制时序设计  33-36
    3.3.4 SRAM控制逻辑  36-38
    3.3.5 业稳态的消除  38-40
  3.4 USB固件程序的设计  40-43
    3.4.1 GPIF接口时序设计  40-41
    3.4.2 固件主程序的设计  41-43
  3.5 数据采集模块的PCB设计  43-45
    3.5.1 PCB的布局  43-44
    3.5.2 模拟地与数字地的分割  44
    3.5.3 PCB的绘制  44-45
  3.6 本章小结  45-46
第四章 基于DSP的数据处理模块设计  46-61
  4.1 改进的意义和方法  46
  4.2 DSP数据处理模块设计  46-52
    4.2.1 电源设计  47-48
    4.2.2 复位与时钟电路  48-50
    4.2.3 外围存储空间  50-51
    4.2.4 JTAG仿真下载接口  51-52
  4.3 FPGA与DSP的数据接口设计  52-56
    4.3.1 数据接口结构设计  52-53
    4.3.2 SRAM复用的逻辑控制  53-56
  4.4 DSP软件的设计  56-60
    4.4.1 DSP软件的总体设计  56-57
    4.4.2 DSP的初始化  57
    4.4.3 原始数据的获取  57-58
    4.4.4 数字信号处理流程  58-60
  4.5 本章小结  60-61
第五章 系统测试  61-72
  5.1 系统测试概况  61
  5.2 信号调理电路的测试  61-62
  5.3 FPGA控制逻辑测试  62-63
  5.4 系统整机测试  63-71
    5.4.1 测试信号来源  63-64
    5.4.2 基于FPGA和USB的数据采集模块的测试  64-66
    5.4.3 基于FPGA和DSP的数据采集与处理系统的测试  66-71
  5.5 本章小结  71-72
第六章 总结与展望  72-74
  6.1 总结  72-73
  6.2 展望  73-74
参考文献  74-78
附录一 部分程序代码  78-91
附录二 数据采集模块PCB板图  91-92
攻读硕士学位期间发表的论文  92-93
致谢  93

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统 > 数据收集和处理系统
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