數(shù)據(jù)采集在信息處理系統(tǒng)中占有不可替代的地位，它是以傳感器、信號測量與處理、微型計算機等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的，主要研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控制等作業(yè)，具有很強的實用性。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)在雷達、通信、水聲、遙感、語音處理、智能儀器、工業(yè)自動化以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集器一般包括數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理傳輸部分。前者包括信號的濾波、放大、采樣、保持、轉(zhuǎn)換、存儲等部分，后者包括數(shù)據(jù)讀取、傳輸及微機接口部分。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件電路設(shè)計
1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及工作原理
本系統(tǒng)主要由四個模塊構(gòu)成：FLASH存儲器模塊、FPGA控制模塊、USB接口控制模塊及電源模塊。如圖1所示。
圖1
其工作原理是：FLASH模塊存儲數(shù)據(jù)，作為記錄器的數(shù)據(jù)源;FPGA模塊作為讀數(shù)裝置的控制器，讀取FLASH的數(shù)據(jù)并傳輸給USB控制接口模塊;USB控制芯片接收來自上位機的命令，并與FPGA通信來執(zhí)行用戶需要的操作;電源模塊為各模塊提供穩(wěn)定電源。
1.2 電源管理模塊
本系統(tǒng)中芯片的工作電壓有5 V、3.3 V、2.5 V。由于計算機的USB接口可以提供5 V電源，最大為500 mA的電流，對于此系統(tǒng)已足夠，所以本系統(tǒng)的5 V電源直接由USB供電，并利用5 V電源經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器AMS1117調(diào)整出3.3 V和2.5 V電源。
1.3 FPGA模塊
本設(shè)計的FPGA采用XILINX公司的Spartan-2系列的XC2S50，包括FPCA配置電路和FPGA時鐘電路及接口配置。
FPGA的配置方式靈活多樣，本設(shè)計根據(jù)芯片是否能夠自己主動加載配置數(shù)據(jù)以及比特流的位寬，利用主串模式進行配置FPCA，如圖2所示。在FPGA的輸出端口上為每個端口連接了一個電阻，起到耦合限流的作用，使外部接口與FPGA進行匹配，防止電流過大等不良影響而燒壞芯片。
圖2
1.4 USB接口模塊
一般USB的接口芯片種類大致可分為：主控制器、根集線器、接口芯片以及具有USB接口的微控制器。本設(shè)計利用的是EZ-USB FX2LP系列的CY7C68013A-128PIN芯片。
本設(shè)計采用0XC0的EEPROM啟動方式。即在EEPROM中首字節(jié)寫入0XC0，并將VID、PID、DID和配置字節(jié)寫入EEPROM。芯片上電后，將這些數(shù)據(jù)復(fù)制到片內(nèi)存儲器，并將其發(fā)送給主機，由主機根據(jù)ID數(shù)據(jù)選擇合適的固件程序下載到USB芯片內(nèi)。本設(shè)計使用具有I2C總線接口的串行EEPROM芯片AT24C64。AT24C64具有8192 x 8位容量，可重復(fù)擦除100萬次。
1.5 FLASH存儲器模塊
FLASH存儲器存儲著記錄器的數(shù)據(jù)，本設(shè)計的目的就是從FLASH中讀取數(shù)據(jù)并傳入計算機進行保存。本設(shè)計采用SAMSUNG公司的K9F5608UO D NAND FLASH存儲器。其特點如下：存儲單元陣列為(32M+1024k)bit×8bit;總共64k的塊，每塊含32頁，每頁為512+16字節(jié);以頁為單位編程(200μs典型編程時間)，以塊為單位擦除(2ms典型擦除時間);命令、地址、數(shù)據(jù)復(fù)用端口;提供硬件數(shù)據(jù)保護功能。
圖3
本設(shè)計的硬件連接電路如圖3所示。其中MAX1658為K9F5608UOD提供電源，排阻起到耦合限流作用。
