基于基于FPGA的多路同步实时数据采集系统的多路同步实时数据采集系统
结合数据采集系统在电力系统中的应用，设计了一种基于FPGA的多路同步实时数据采集系统，该系统将多个功
能模块集成到一片FPGA中，构成片上可编程系统,使用一片FPGA完成对A/D转换和双口RAM等模块的控制；给
出了系统的硬件原理框图，并结合系统的设计方案对其中的主要功能模块进行了阐述；以此构成的多路同步实
时数据采集系统具有性能稳定、实时性强、集成度高、扩展性灵活等特点。
摘摘 要：要： 结合数据采集系统在电力系统中的应用，设计了一种基于
关键词：关键词： FPGA； A/D； 双口RAM； 多通道
随着可再生能源应用的日益增多，以此建立的分布式发电系统也逐渐增加。为了更好地对分布式电源进行控制，通常需要
对多个模拟信号进行实时数据采集，同时为了保证数据的一致性，必须同时对数据进行采样[1-2]。常用的数据采集方案往往以
单片机为控制核心，控制A/D(模数转换器)对多路信号进行采集及处理，但由于单片机本身的指令周期以及处理速度的影响，
难以达到对
1 系统结构图系统结构图
分布式电源通常通过并网逆变器接入电网，为了实现对分布式发电的灵活控制，需要采集电网侧的电压电流信号、分布式
电源逆变器侧的电压电流信号以及逆变器直流母线侧的电压和电流。采集系统整体结构如图1所示。主要包括电压电流互感
器、强电隔离电路、模拟信号处理电路、模数转换(A/D)电路、A/D控制电路、FFT运算电路、频率测量电路、三相PLL相位锁
定电路、双口RAM控制模块以及CPU对FPGA控制的逻辑控制模块等[4]。
设计的采集系统主要采用Altera公司的FPGA(Cyclone II EP2C20Q240)来实现[6]。在FPGA内部，集成了大部分的控制模
块，主要有A/D转换控制模块、双口RAM控制模块、频率测量模块及FFT运算模块等，采集到的数据存储到外部的双口RAM
中，以便与CPU共享数据。
2 系统模块设计系统模块设计
2.1 模拟信号处理电路模拟信号处理电路
模拟信号处理电路如图2所示，主要处理传感器输出的模拟信号，并送入A/D模块。电阻R1的阻值选择10 kΩ，可以减少
整个电路对干扰的敏感性；电容C1可以减少高频干扰电流的差模和共模的干扰，为了使信号不产生延时，电容值一般选取100
pF以下；为了使整个电路有很强的抗共模干扰能力，在运算放大器的同相输入端接2R2的电阻以使整个电路保持较好的对称
性；输入端的2个分裂电阻之间接篏位二极管以对整个电路保护，防止突然的过电压，篏位二极管应该选择具有低反向电流的
快速二极管，在本设计中选用安捷伦的HSMS2702。
2.2 A/D转换控制模块转换控制模块
A/D转换电路采用德州仪器(TI)公司生产的ADS7864[5]，该芯片是高速6通道全差分输入双12位A/D转换器，内部含有2个
500 kHz采样速率的逐次逼近模数转换器，可以同时进行采样和转换，2个模数转换器分别对应三路输入通道(第一个模数转换
器对应的通道为A0、B0、C0，第二个模数转换器对应的通道为A1、B1、C1)，芯片含有三路差分采样/保持放大器和一个多
路模拟开关。六路通道被分为三对，各由HOLDA、HOLDB、HOLDC三个信号控制为采样或保持模式，输入信号在进入采样
保持电路之前经过全差分电路运算，使其在500 kHz采样率的情况下仍能保持高达80 dB的共模抑制比，对于高噪声环境下输
入噪声的抑制起到了非常重要的作用。
ADS7864有三种读出模式，设计中通过CPU设置FPGA中的寄存器来确定采取何种模式，这样CPU可以根据实际需要单
独地对某一路信号进行采样。在此设置为循环模式，在第一个读信号RD到来时读取通道A0的数据，第二个读信号RD到来时
读取通道A1的数据，随后是B0、Bl、C0和C1, A/D转换时序图如图3所示，每个读操作将使ADS7864输出16位信息，其中D15
用于表明读出数据是否有效(“1”有效)，D14、D13、D12 用于表示所读出数据的通道，D0～D11为该通道采样结果数据。
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