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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