摘要：文中介紹了一種基于FPGA的多通道應力應變信號監測系統的設計方案，該系統的研究為一些大型建筑結構由于年代久遠而需要維護、維修提供客觀依據，主要闡述了前端信號采集電路硬件以及FPGA上各個控制模塊的設計，系統可以通過NiosⅡ軟核修改FPGA中的各項采樣參數，如采樣率、采樣通道數、起始通道等，來實現對不同對象的應變情況進行實時監測，模擬實驗表明系統運行穩定可靠，采集精度高，具有很高的實用價值。
關鍵詞：FPGA；數據采集；應力應變；NiosⅡ

應力應變是一個物體受力后機構的變化情況，應變就是受力后產生的形變率，通過對應變進行檢測，就可以知道物體的受力情況和形變情況。

1 設計思路
本文設計的應力應變檢測系統可以實現數據的采集、處理和存儲功能。整個系統主要由Altera公司的FPGA芯片CycloneII 2C35F672C6，MAX公司的ADC芯片MAX197，DAC 0832以及信號調理電路等外圍電路組成。系統硬件簡圖如圖1所示。NiosⅡ軟核輸出控制信號，控制FPGA。當NiosⅡ軟核啟動FPGA開始數據采集后，FPGA通過MAX197控制模塊輸出通道地址給ADC芯片MAX197，FPCA控制DAC芯片輸出模擬量對這一通道的輸入量進行粗調零。然后由FPGA控制ADC芯片MAX197進行模數轉換。將轉換得到的12位數字量輸送給FPGA。在FPGA內部將12位數據進行細調零等相應的數據處理，然后加上4位標明通道的數據送入FIFO中。當FIFO達到半滿時，NiosⅡ軟核將數據讀出進行相應的處理，這時候整個數據采集的過程完成，如果數據出現異常，將異常數據通過數據發送單元(DTU)發送至監測中心，系統總體框圖如圖1所示。

3 A／D轉換器的選擇及電路連接
A／D轉換器是數據采集系統的核心器件，它的技術指標有采樣通道數目、輸入范同、輸入方式、采樣率、分辨率、精度、編碼寬度等，其中采樣率、分辨率、精度是A／D轉換器的3個重要指標，直接影響數據采集系統的精度。
3．1 采樣率的選擇
采樣率是指在單位時間內采集系統對模擬信號的采集次數。一個高采樣率可以再給定時間下采集更多數據，因此能更好的反映原始信號，但也并不是采樣率越高越好，如果采樣率太高，當然會得到完美的信號，但同時也會得到大量無用的數據，這將浪費寶貴的存儲空間，但如果采樣率太低，雖然節省存儲空間，將會得到一個無用的采集結果：波形看似正確，實際上是完全錯誤的。
3．2 分辨率的選擇
分辨率是指A／D轉換器所能分辨模擬輸入信號的最小變化量，它代表了數字值上的最低有效位1(LSB)，也稱為編碼寬度。分辨率是由A／D轉換器的位數決定的，位數越大，分辨率就越高，信號范圍被分割成的區間數目就越多，輸入信號的細分程度就越高，因此能探測到的電壓變量就越小，這對于提高像FFT這樣的數學分析計算非常重要，但同時也意味著更高的成本。A／D轉換器的位數常用的有8位、12位、14位、16位，甚至還有24位的。
過高的分辨率除了成本高，也會帶來其他的問題：比如為獲得一個穩定的信號，A／D轉換需要更多的時間也就是說，分辨率越高，A／D采樣越慢。
3．3 精度的選擇
精度反映了測量與實際信號值的接近程度，用％來表示，例如，一個具有0．1％系統精度的數據采集系統，測量一個理想的10V的電壓源。測量結果帶有0．1％的誤差，它可能顯示高至10．01V或低至9．99V的測量值。顯然精度越高，數據質量也就越高，測量結果也就越加可信。
綜合上面幾個因素考慮，本系統的A／D轉換器選用MAX197，MAX197芯片是美國MAXIM公司近年的新產品，是多量程(±10V，±5V，0～10V，0～5V)、8通道、12位高精度的A／D轉換器。它采用逐次逼近工作方式，有標準的微機接口。三態數據I／O口用做8位數據總線，數據總線的時序與絕大多數通用的微處理器兼容。全部邏輯輸入和輸出與TTL／CMOS電平兼容。新型A／D轉換器芯片MAX197與一般A／D轉換器芯片相比，具有極好的性價比，僅需單一+5V供電，且外圍電路簡單，可簡化電路設計。