一种基于fpga的多路模拟信号同步采样电路系统
阅读说明：本技术 一种基于fpga的多路模拟信号同步采样电路系统 (Multi-channel analog signal synchronous sampling circuit system based on FPGA ) 是由 苏健 刘丽丽 张夜星 温春玉 冯雪健 陈敏 张利辉 于 2020-12-09 设计创作，主要内容包括：一种基于FPGA的多路模拟信号同步采样电路系统,由多块32通道信号采集子卡、1块同步信号采集卡和ATM网络模块组成,同步信号采集卡通过RS422总线向多块32通道信号采集子卡发送时钟同步信号,同步信号采集卡和32通道信号采集子卡通过高速串行口RapidIO进行数据交换,整个系统可以通过ATM网络模块与外部系统进行数据传输。本发明,每块32通道信号采集子卡,可以同步采集1～32路前端传感器模拟信号,8块32通道信号采集子卡,在同步信号采集卡的控制下可以实现系统整体共256路前端传感器模拟信号同步采样。本发明使用FPGA为核心,功能模块化设计,灵活性组合,采样精度为16位,能够在声纳、机械振动分析、发动机测试等场合实现工程应用。(A multi-channel analog signal synchronous sampling circuit system based on an FPGA (field programmable gate array) is composed of a plurality of 32-channel signal acquisition sub-cards, 1 synchronous signal acquisition card and an ATM (automatic Teller machine) network module, wherein the synchronous signal acquisition card sends clock synchronous signals to the plurality of 32-channel signal acquisition sub-cards through an RS422 bus, the synchronous signal acquisition card and the 32-channel signal acquisition sub-cards exchange data through a high-speed serial port RapidIO, and the whole system can transmit data with an external system through the ATM network module. According to the invention, each 32-channel signal acquisition daughter card can synchronously acquire 1-32 paths of front-end sensor analog signals, and 8 32-channel signal acquisition daughter cards can realize synchronous sampling of 256 paths of front-end sensor analog signals of the whole system under the control of a synchronous signal acquisition card. The invention uses FPGA as the core, has modular design of functions, flexible combination and 16-bit sampling precision, and can realize engineering application in occasions such as sonar, mechanical vibration analysis, engine test and the like.)
技术领域
本发明涉及一种多通道的模拟信号采样电路系统，特别是一种基于FPGA的多路模拟信号同步采样电路系统，能够在声纳、机械振动分析、发动机测试等场合实现工程应用。
背景技术
多路模拟同步采样电路，是一种多通道高同步的数据采集系统，具有同步性和实时性的关键在于采用FPGA的并行处理能力和高速RapidIO通信能力，但现有的多路模拟采样电路基于单片机等，不同模拟通道之间采用模拟开关进行切换巡扫，难以保证采样信号的同步性和实时性，这类系统仅适用于对数据带宽及处理能力要求不高的系统。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于FPGA多路模拟信号同步采样电路系统，利用FPGA并行处理能力，使1块32通道信号采集子卡能够实现32路模拟信号实时同步采样，利用高速RapidIO通信能力和同步时钟模块，使同步信号采集卡能够协调和管理8块32通道信号采集子卡，实现高达256路模拟信号实时同步采样。
本发明的技术解决方案为：一种基于FPGA的多路模拟信号同步采样电路系统，包括多块32通道信号采集子卡、同步信号采集卡和ATM网络模块组成；同步信号采集卡通过RS422总线向多块32通道信号采集子卡发送时钟同步信号，同步信号采集卡和32通道信号采集子卡通过高速串行口RapidIO进行数据交换，整个系统实现256路模拟信号同步采样，并通过ATM网络模块与外部系统进行数据传输。
所述的32通道信号采集子卡，包括32路信号调理模块、模数转换AD模块、FPGA模块、ATM网络模块、RS422同步时钟模块、高速串行口RapidIO模块、系统时钟、系统电源；
32路传感器信号通过32路信号调理模块实现单端信号转差分信号，模数转换AD模块实现模拟信号至数字信号的转变，RS422同步时钟模块实现与其他采集子卡同步，高速串行口RapidIO模块实现与同步信号采集卡进行数据交换，ATM网络模块实现与ATM网络通信，ATM网络模块中ATM物理芯片将并行数据转变为ATM网络信号，ATM网络模块中网络变压器起到信号隔离、阻抗匹配、增强驱动能力；FPGA模块实现采样数据的接收、封装和转发，负责控制32路模数转换电路同步，通过控制RS422同步时钟模块实现与其他32通道信号采集子卡同步，通过控制高速串行RapidIO模块实现与同步信号采集卡进行数据交换，通过控制ATM网络模块实现与ATM网络通信；系统时钟给32通道信号采集子卡提供工作参考时钟，系统电源分为模拟电源和数字电源，模拟电源为信号调理电路供电，数字电源为数字电路部分供电。
所述同步信号采集卡，包括FPGA模块、ATM网络模块、RS422同步时钟模块、8路高速串行口RapidIO模块、系统时钟、系统电源模块；
RS422同步时钟模块通过RS422总线向各个32通道信号采集子卡发送同步时钟信号，8路高速串行口RapidIO模块实现与各个32通道信号采集子卡进行数据交换，ATM网络模块实现与ATM网络通信，ATM网络模块中ATM物理芯片将并行数据转变为ATM网络信号，ATM网络模块中网络变压器起到信号隔离、阻抗匹配、增强驱动能力；FPGA模块通过控制RS422同步时钟模块实现与各个32通道信号采集子卡同步，通过控制高速串行RapidIO模块实现与各个32通道信号采集子卡进行数据交换，通过控制ATM网络模块实现与ATM网络通信；系统时钟给同步信号采集卡提供工作参考时钟，系统电源为数字电源，为数字电路部分供电。
所述ATM网络模块，包括32通道信号采集子卡的ATM网络模块和同步信号采集卡的ATM网络模块，由ATM网络桥接FPGA、ATM物理芯片以及网络变压器组成，两种卡的ATM网络模块是独立工作，电路系统通过其中一种卡的ATM网络模块实现与外部系统进行通信。
在没有同步信号采集卡的情况下，两块32通道信号采集子卡通过高速串行口RapidIO进行互连，其中一块32通道信号采集子卡作为主卡，另一块作为从卡，主卡向从卡发送同步时钟信号，ATM网络模块进行级联组网实现与外部系统进行通信。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明由于利用FPGA进行并行数据处理，利用高速串行RapidIO进行板卡间数据交换，与传统的单片机开发的模拟信号采集系统相比，提高多路模拟信号采集的实时性。
(2)32通道信号采集子卡可以独立工作，信号调理部分实现单端信号到差分信号转变，模数转换部分实现模拟信号至数字信号的转变。
(3)同步信号采集卡时钟同步模块向32通道信号采集子卡发送时钟同步信号，从而实现整体电路系统多路模拟信号同步采样。
(4)通过ATM网络模块，ATM物理芯片将并行数据转换为ATM网络信号，网络变压器实现信号隔离利、阻抗匹配、增强驱动能力等，实现与外部系统安全通信。
(5)采用模块化设计，在没有同步信号采集卡的情况下，两块32通道信号采集子卡可以组成主从模式，实现64路以内的模拟信号同步采样，满足通道数较少场合的工程化使用。
附图说明
图1为本发明的一种基于FPGA的多路模拟信号同步采样电路系统的结构框图；
图2为本发明的32通道信号采集子卡的结构框图；
图3为本发明的同步信号采集卡的结构框图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明的32通道信号采集子卡、同步信号采集卡和ATM网络模块，即本发明的基本形式，它们共同组成基于FPGA的多路模拟信号同步采样电路。1～32路传感器信号连接到每块32通道信号采集子卡，通过32通道信号采集子卡处理后，通过高速串行RapidIO发送到同步信号采集卡。同步信号采集卡同时通过RS422总线向各个32通道信号采集子卡发送时钟同步信号，实现256路模拟信号同步采样。8块的32通道信号采集子卡的ATM网络模块通过级联，可以组成ATM网络1，可以独立与外部系统通信连接。同步信号采集卡的ATM网络2，可以独立与外部系统通信连接，实现将电路系统整体与外部系统进行连接。
如图2所示，32通道信号采集子卡，主要由32路信号调理电路模数转换电路、FPGA核心电路、同步时钟电路、高速串行RapidIO电路、ATM网络电路模块、系统时钟电路、系统电源电路组成。32路传感器信号通过信号调理电路实现单端信号转差分信号，模数转换部分实现模拟信号至数字信号的转变，同步时钟电路实现与其他采集子卡同步，高速串行RapidIO电路实现与同步信号采集卡进行数据交换，ATM网络电路模块实现与ATM网络通信，ATM物理芯片将并行数据转变为ATM网络信号，网络变压器主要起到信号隔离、阻抗匹配、增强驱动能力等作用。FPGA核心电路，实现采样数据的接收、封装和转发，负责控制32路模数转换电路同步，通过控制同步时钟电路实现与其他采集子卡同步，通过控制高速串行RapidIO电路实现与同步信号采集卡进行数据交换，通过控制ATM网络电路模块实现与ATM网络通信。系统时钟电路给采集子卡提供工作参考时钟，系统电源分为模拟电源和数字电源，模拟电源为信号调理电路供电，数字电源为数字电路部分供电。
如图3所示，同步信号采集卡，主要由FPGA核心电路、同步时钟电路、高速串行RapidIO电路、ATM网络电路模块、系统时钟电路、系统电源电路组成。同步时钟电路通过RS422总线向各个32通道信号采集子卡发送同步时钟信号，高速串行RapidIO电路实现与各个32通道信号采集子卡进行数据交换，ATM网络电路模块实现与ATM网络通信，ATM物理芯片将并行数据转变为ATM网络信号，网络变压器主要起到信号隔离、阻抗匹配、增强驱动能力等作用。FPGA核心电路，通过控制同步时钟电路实现与各个32通道信号采集子卡同步，通过控制高速串行RapidIO电路实现与各个32通道信号采集子卡进行数据交换，通过控制ATM网络电路模块实现与ATM网络通信。系统时钟电路给同步信号采集卡提供工作参考时钟，系统电源主要是数字电源，为数字电路部分供电。
本实例的基于FPGA的多路模拟同步采样电路系统主要技术指标见表1。
表1
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。