基于 ARM+FPGA+AD平台的多类型同步信号采集仪开发及试验验证（二）板卡总体设计

2.2 板卡总体设计
本章开发了一款基于 AD7193+RJ45 的多类型传感信号同步调理板卡，如图 2.4 所
示，负责将传感器传来的模拟电信号转化为数字信号，以供数据采集系统采集，实现了
单通道自由切换传感信号类型与同步采集多类型传感信号的功能（包含桥式电路信号、
IEPE 传感信号、电流和电压四种传感信号）。
该模块具备了以下功能：
（ 1 ）对桥式电路信号、 IEPE 传感信号、电压和电流传感信号进行调理，将这四种
传感信号转换为 0~2.5V 的电压信号；
（ 2 ）在单通道内自由切换采集的传感信号类型；
（ 3 ）各个通道信号同步采集；
（ 4 ）具备硬件级别的滤波和降噪功能。

板卡包含 16 个 AD 转换调理通路，每一个转换调理通路的结构如图 2.5 网线右侧
所示，包括 RJ45 接口、桥式电路、 IEPE 信号、电流与电压信号调理模块以及 AD7193
芯片，其中 RJ45 接口为传感信号输入接口， AD7193 芯片的数字引脚引出的引脚槽用于
数据采集系统操作。板卡利用 6 线的电源接口供电， 6 线电源线提供 5V ， 12V 和 24V 的
电压。


采集仪功能模块设计
本文开发了一款基于 ZYNQ 平台的多类型同步信号采集仪，通过一套灵活的系统
分工模式，实现多类型传感信号（电压、电流、电桥和 IEPE ）的精准同步采集。系统结
构如图 3.1 所示，包括以下四个部分：
第一部分是多类型传感信号同步调理板卡，包含 16 个 AD 调理转换通路，将模拟
电信号转换为数字电信号，并实现多类型传感信号的调理、自由切换与同步，已在第二
章介绍；
第二部分是 FPGA 端数据采集单元，负责采集多类型传感信号同步调理板卡中 16
通道的 AD 数据，并通过 AXI DMA 和 AXI EMIF 的方式实现与 ARM 端的数据交互；
第三部分是 ARM 端的数据传输单元，负责实现与 FPGA 端进行数据交互，并利用
UDP 协议与上位机进行数据交互；
第四部分是上位机，通过 UDP 协议实现与 ARM 端的数据交互并进行系统配置，完
成数据可视化与本地存储的功能。

本章将具体介绍整个多类型同步信号采集系统的核心部分------ ZYNQ 系统，包含
FPGA 端数据采集单元与 ARM 端数据传输单元两个部分。下面将从采集系统的系统板
卡、总体设计方案与相关协议技术、 FPGA 端数据采集单元设计与 ARM 端数据传输单
元设计四个方面加以介绍。
3.1 系统板卡
采集仪的系统板卡包括正点原子 ZYNQ 核心板、系统底板、系统电源板和多类型传
感信号同步调理板卡，剩余引脚用于扩展 4 路 AD 板卡。系统板卡如图 3.2 所示。

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