一种基于FPGA的小型化数模转换装置及应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的小型化数模转换装置，包括模拟电路，用于获取采集设备的模拟信号，并对模拟信号滤波放大后转发给音频转换器；音频转换器，用于将接收的模式信号转化为数字信号，得到音频数据，并将音频数据发送至FPGA；FPGA，用于基于接收的命令数据控制模拟电路和音频转换器工作，对获取的音频数据缓存封装后，转发至通讯接口，还用于接收外部同步时钟，并基于同步时钟为所述音频转换器提供工作时钟，以实现多个音频转换器之间的同步采样；通讯接口，用于实现FPGA与通讯总线之间的命令数据与音频数据的交互。该装置能够控制多个音频转换器同步采样，且能够实现分布式组网通讯。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的小型化数模转换装置及应用
本专利技术涉及FPGA技术、音频接口扩展技术及数字通讯领域，具体涉及一种基于FPGA的小型化数模转换装置及应用。
技术介绍
随着物联网技术的发展，模块化、小型化、具有灵活组网能力的硬件装置越来越受到业界的追捧。在物联网领域中，对于传感器信号的数字化以及设备之间的高带宽、长距离通讯是研究的关键核心之一。如何设计一种小型化的硬件装置，能够完成数据采集、数字化传输、分布式通讯，同时又具备多种接口供系统模块化设计，是一项非常重要的课题。在物联网领域，声音信号处理是重要的一个环节。目前，音频接口扩展技术通过逻辑开发的方式较为普遍，使用现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)开发，具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，是小批量系统提高系统集成度、可靠性与灵活性的最佳选择之一。目前，芯片制作工艺已经达到10nm级别，采用小型化、高性能芯片设计小型装置已经成为可能。因此，本专利技术在各种数据采集传输系统中，如物联网系统、水下声学信号采集系统、地震勘探系统等，具有广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供了一种基于FPGA的小型化数模转换装置及应用，该装置能够在小型化的装置上实现音频信号同步采集与数模转化以及高带宽长距离的组网通讯。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种基于FPGA的小型化数模转换装置，所述数模转换装置包括：模拟电路，用于获取采集设备的模拟信号，并对所述模拟信号滤波放大后转发给音频转换器；音频转换器，用于将接收的模式信号转化为数字信号，得到音频数据，并将所述音频数据发送至FPGA；FPGA，用于基于接收的命令数据控制所述模拟电路和音频转换器工作，对获取的音频数据缓存封装后，转发至通讯接口，还用于接收外部同步时钟，并基于所述同步时钟为所述音频转换器提供工作时钟，以实现多个所述音频转换器之间的同步采样；通讯接口，用于实现所述FPGA与通讯总线之间的命令数据与音频数据的交互。本专利技术提供的数模转化装置能够控制多个音频转换器同步采样，且能够实现分布式组网通讯，在获得稳定同步采集数据的同时，能够扩大整个采集系统的数据采集量。其中，所述FPGA包括：通讯模块，用于对接收的命令数据串并转换和数据解码后转发至所述转发内存控制器，还用于对接收的音频数据协议封装和并串转换后转发至所述通讯接口；转发内存控制器，用于对接收的音频数据进行缓存和转发至所述通讯模块，还用于将接收的命令数据转发至所述命令控制模块；命令控制模块，用于基于接收的命令数据控制所述模拟电路对模拟信号的滤波和放大，还用于控制音频转换器将滤波放大处理后的模拟信号转化为数字信号；音频数据接收模块，用于获取所述音频转换器上传的音频数据，并将所述音频数据转发至所述转发内存控制器；时钟生成模块，用于基于接收的同步时钟为所述音频转换器提供工作时钟和控制信号，以实现多个所述音频转换器之间的同步采样；通讯接口控制器，用于控制所述通讯接口工作。进一步地，所述通讯模块包括：串并转换模块，用于对接收的命令数据进行串并转换；数据解码模块，用于对串并转换处理后的命令数据进行数据解码，并将数据解码后的命令数据转发至所述转发内存控制器；协议封装模块，用于对接收的音频数据进行协议封装；并串转换模块，用于对协议封装处理后的音频数据进行并串转换，并对并串转换后的音频数据转发至所述通讯接口。进一步地，所述转发内存控制器包括：接口子控制器，用于控制FIFO单元中音频数据读取与写入操作；FIFO单元，用于所述转存内存控制器接收的音频数据的缓存。进一步地，所述命令控制模块包括：模拟信号控制器，用于基于接收的命令数据控制所述模拟电路对模拟信号的滤波参数和放大倍数，以实现对模拟信号的稳定滤波和放大；音频转换器控制器，用于基于接收的命令数据控制所述音频转换器将滤波放大处理后的模拟信号转化为数字信号。优选地，所述通讯接口采用485芯片。485协议的传输距离为几十米到上千米，满足大型采集系统的应用。且485协议具备高带宽、长距离的主从方式通讯能力，整套系统可现分布式组网通讯，挂载从设备数最高可达到256个，在20Mbps传输带宽下通讯距离能达到100米以上。一种基于FPGA的小型化数模转换装置的应用，应用上述小型化数模转换装置对多个传感器进行同步采样，具体包括以下步骤：FPGA基于接收的命令数据控制模拟电路对从传感器的获取的模拟信号进行滤波放大处理；FPGA基于接收的命令数据控制音频转换器将滤波放大处理后的模拟信号在转化为音频数据；FPGA对接收的音频数据缓存封装后转发至通讯接口；FPGA基于接收的同步时钟为音频转换器提供工作时钟，以实现多个所述音频转换器之间的同步采样。利用该设备对多个传感器进行同步采样，能够保证从多个传感器采集信号的同步性，且能够实现分布式组网通讯，扩大整个采集系统的采集量和稳定性。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果为：本专利技术提供的数模转化装置的体积小、集成化程度高，能够实现分布式组网通讯和同步采样，此外，装置中模块化的设计适合应用于各种数据采集传输系统中，如物联网系统、水下声学信号采集系统、地震勘探系统等，具有广阔的应用前景。附图说明图1是实施例提供的基于FPGA小型化数模转换装置组网示意图；图2是实施例提供的主端设备的结构示意图；图3是实施例提供的基于FPGA小型化数模转换装置的结构示意图；图4是实施例提供的基于FPGA小型化数模转换装置的控制命令接收流程图；图5是实施例提供的协议封装模块的工作流程；图6是实施例提供的并串转换模块的转换流程。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本专利技术进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术的保护范围。图1是实施例提供的基于FPGA小型化数模转换装置组网示意图。如图1所示，在整个采集系统中，包括用户接口模块110、通过时钟/数据复用总线连接的N个主端设备120、与主端设备120通信连接的数模转换装置130以及受数模转换装置130控制工作的传感器140。其中，主端设备120与数模转换装置130通过同步时钟总线(图1中虚线)实现时钟信号的传输，通过485通讯总线(图1中细实线)实现传输数据(命令数据和音频数据)的传输，传感器可以是任意种类的传感器，只要能够采集信号即可。在图1中，每个主端设备120控制多个数模转换装置130工作。具体地，每个数模转换装置130保持侦听状态，等待主端设备120下发数据的目的地址和具体命令内容，并根据命令内容进行相应数据应答，以完成需要实现的系统功能。数模转换装置130进行数据获取端的基本工作，包括音频信号的采集和模数转化、模拟电路增益控制等，每个数模转换装置130的同步时钟来自于主端设备120提供的时钟，可保证在主端设备120控制下实现所有数模转换装置130的同步采样。主端设备120收集到数模转换装置130的数据，通过网络等方式发送到用户接口模块使用。图2是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的小型化数模转换装置，其特征在于，所述数模转换装置包括：模拟电路，用于获取采集设备的模拟信号，并对所述模拟信号滤波放大后转发给音频转换器；音频转换器，用于将接收的模式信号转化为数字信号，得到音频数据，并将所述音频数据发送至FPGA；FPGA，用于基于接收的命令数据控制所述模拟电路和音频转换器工作，对获取的音频数据缓存封装后，转发至通讯接口，还用于接收外部同步时钟，并基于所述同步时钟为所述音频转换器提供工作时钟，以实现多个所述音频转换器之间的同步采样；通讯接口，用于实现所述FPGA与通讯总线之间的命令数据与音频数据的交互。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的小型化数模转换装置，其特征在于，所述数模转换装置包括：模拟电路，用于获取采集设备的模拟信号，并对所述模拟信号滤波放大后转发给音频转换器；音频转换器，用于将接收的模式信号转化为数字信号，得到音频数据，并将所述音频数据发送至FPGA；FPGA，用于基于接收的命令数据控制所述模拟电路和音频转换器工作，对获取的音频数据缓存封装后，转发至通讯接口，还用于接收外部同步时钟，并基于所述同步时钟为所述音频转换器提供工作时钟，以实现多个所述音频转换器之间的同步采样；通讯接口，用于实现所述FPGA与通讯总线之间的命令数据与音频数据的交互。2.如权利要求1所述的基于FPGA的小型化数模转换装置，其特征在于，所述FPGA包括：通讯模块，用于对接收的命令数据串并转换和数据解码后转发至所述转发内存控制器，还用于对接收的音频数据协议封装和并串转换后转发至所述通讯接口；转发内存控制器，用于对接收的音频数据进行缓存和转发至所述通讯模块，还用于将接收的命令数据转发至所述命令控制模块；命令控制模块，用于基于接收的命令数据控制所述模拟电路对模拟信号的滤波和放大，还用于控制音频转换器将滤波放大处理后的模拟信号转化为数字信号；音频数据接收模块，用于获取所述音频转换器上传的音频数据，并将所述音频数据转发至所述转发内存控制器；时钟生成模块，用于基于接收的同步时钟为所述音频转换器提供工作时钟和控制信号，以实现多个所述音频转换器之间的同步采样；通讯接口控制器，用于控制所述通讯接口工作。3.如权利要求2所述的基于FPGA的小型化数模转换装置，其特征在于，所述通讯模块包括：串并转换模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：许毅杰，吕杰，
申请(专利权)人：苏州联视泰电子信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32