基于FPGA的激光粒度仪数据采集系统

　　引言

　　随着现代科学技术的日益发展，颗粒尺寸及其分布在诸如石油、冶金、制药、建材等领域占 0 据着越来越重要的地位。激光粒度仪就是用来测量微小颗粒尺寸及其分布的仪器，其基本原理是光的衍射理论。数据采集系统对激光粒度仪的光电探测器上光能信号的采集速度是激光粒度仪的性能指标之一，一般来说采集速度越快测量结果的准确性、重复性和稳定性越好。随着各种新型光电探测器的不断出现，原有的数据采集系统需要重新设计升级。在新的设计方案中，数据采集系统的模拟通道容量增加到了112 路，并且系统的采集速度也有了大幅度的提高。

　　FPGA 具有硬件资源丰富、设计灵活等特点，适用于数据通讯、数据采集和系统控制中，特别是它的并行结构和算术运算的特点，已越来越受到科技开发人员的青睐，被广泛应用到数据信号处理当中。对本系统而言，FPGA 作为一种可编程、可重配置的数字集成电路，为实现系统的设计目标提供了有力的保证。

　　1系统硬件设计

　　根据激光粒度仪的应用场合，本数据采集系统采用单通道采集的方案，它主要由模拟部分、数字部分和接口部分三部分组成。其中模拟部分包括光电探测器、电信号放大、多路选通、信号调理和12 位AD 转换，数字部分则完全在FPGA 内部实现，接口部分主要是计算机的PCI 总线接口。系统组成框图如图1 所示。

　　激光粒度仪所用的光电探测器是由多个同心的光敏环组成的，每一光敏环输出的模拟电信号反映了照射到该环上的光能量大小。随着对激光粒度测量研究的不断深入，天津大学研制的LSA 系列激光粒度仪的光电探测器组件，其模拟输出已经发展到96 路之多。为实现对这么多路模拟信号的采集，多路选通采用七片16 选1 模拟开关DG406 和一片8 选1 模拟开关MAX308 组成双层级联结构，共可容纳112 路模拟信号，它的地址信号是由FPGA 提供的。AD 转换芯片是数据采集系统的关键器件，采用ADI 公司的12 位逐次逼近型模数转换芯片AD7321，在本文中该芯片使用其内部的2.5V 参考电压，模拟输入范围选择为0~10V，它使用由 FPGA 分频产生的 8.3MHz 时钟信号，这样该芯片可在 2μs 内完成一次模数转换。若连续两次采样间隔的时间设置为2μs，则系统的数据平均传输速率可达到3Mbps。

　　2系统软件设计

　　2.1 FPGA 内部逻辑设计

　　本文采用了片上系统的设计理念，在 FPGA 内部设计了所有所需的数字逻辑，可以实现数据采集控制、数据存储和 PCI接口方式的数据传输等功能。在本方案中，系统初始化后，首先上位机将采集的参数信息(模拟通道数、采样方式、AD7321 工作模式等等)通过PCI 总线送给FPGA 中，FPGA 再根据这些参数信息控制多路开关和AD7321 的工作，完成数据采集任务。采集过程中FPGA 将AD 转换得到的数据存入其内部的FIFO 中,当FIFO 快满时，它向上位机产生中断，上位机再通过PCI 总线读取FIFO 中的数据。