1 数据采集系统原理
图1是一个模拟信号的数据采集系统框图。

由图可知，系统主要由以下5个部分组成：
第1部分是放大器电路。程控放大器的作用是将传感器产生微弱的模拟信号进行放大处理。放大器把信号放大到与A／D转换器满量程电压相应的电平值，以便充分利用A／D转换器的分辨率，放大器的放大倍数可以通过设计放大电路来进行实时控制。
第2部分是A／D模数转换电路。其功能是将放大后的模拟信号转换为计算机能够识别的数字信号。A／D转换器是采样通道的核心，所以A／D转换器是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。
第3部分是数据缓存电路。A／D转换后的数据信息一般不能直接传送到计算机，所以在读入计算机或其他处理设备之前应该增加数据缓存模块，这样能有利于将数据连续的送人计算机。
第4部分是时序逻辑控制电路。它可以控制程控放大器、A／D模数转换器、数据缓存等单元，并实现与计算机的通信。
第5部分是接口电路。接口电路是数据缓存区的数据传输至计算机等设备的纽带。

2 系统硬件设计
本系统主要研究对模拟信号的数据采集，根据系统的要求与功能的实现，FPGA数据采集系统的总体方案设计结构框图如图2所示。

在模拟信号采集的过程中，模拟信号输入给A／D转换器，然后经模数转换之后将8bit的数字信号直接输出给FPGA进行处理。在FPGA中设计了数据缓冲器FIFO和数据存储器RAM以及和各级电路对应的的时钟信号，以保证能够实时的将ADC转换过来的数据进行处理。其中，液晶屏可用于显示被采集的波形，串口通信用于FPGA的在线调试与配置程序的加载，键盘用于控制操作。

2．2 数据处理模块
FPGA在高速数据采集处理方面有单片机和DSP无法比拟的优势，FPGA具有时钟频率高，内部延时小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高，组成形式灵活等特点。因此我们选择使用FPGA来进行数据的处理与控制。市场上FPGA的型号与类型非常多，根据本系统的要求，我们这里选择Xilinx公司生产的Spartan-3系列XC3S400型号的芯片。Spartan-3系列是基于Virtex-II FPGA构架，采用90 nm技术，8层金属工艺，系统门数超过500万，内嵌了硬核乘法器和数字时钟管理模块。从结构上看，Spartan-3系列将逻辑、存储器、数**算、数字处理器、I／O以及系统管理资源完美地集合在一起，使之有更高层次、更广泛的应用。其主要特性为：采用90 nm工艺，密度高达74880逻辑单元；最高系统时钟为340 MHz；具有18x18的专用乘法器；核电压为1．2V，端口电压为3．3 V、2．5 V、1．2 V，支持24种I／O标准；高达520 kB的分布式RAM和18 972 kB的块RAM；有片上时钟管理模块(DCM)；具有嵌入式XtremeDSP功能，每秒可执行3 300亿次乘加。

2．3 输出模块
输出模块主要负责利用液晶显示器显示采集到的数据以便进入后续的处理，因此，需要连接有显示模块。液晶显示屏常常采用12864，本系统选用了HS12864_15系列中文图形液晶模块，文字图形可混合显示且带有字库，其特征主要由其控制器ST7920决定，ST7920同时作为控制器和驱动器，它可提供33路com输出和64路seg输出。在驱动器ST7921的配合下，最多可以驱动256x32点阵液晶。