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FPGA存在的意义：为什么adc连续采样需要fpga来做，而不会直接用iic来实现

news 来源：原创 2025/5/15 7:08:45

FPGA存在的意义：为什么adc连续采样需要fpga来做，而不会直接用iic来实现

  • 原因
  • ADS111x连续采样实现
    • 连续采样功能说明
    • iic读取adc的数据速率 VS adc连续采样的速率
      • adc连续采样的速率
      • iic读取adc的数据速率
      • 结论分析
    • FPGA读取adc数据
      • 问题一：读取adc数据过快造成数据多余
      • 问题二：fpga没有那么多空间存储取回来的全部数据

原因

每次调用iic驱动的时间间隔太长了，adc连续采样的速率高且没有多的寄存器缓存数据，所以用户得及时取数据，否则就会产生数据丢失；于是就需要一个快速的取数据方式，而fpga的时间以8ns为单位，它可以做到快速取数据；但是用户没法这么快的从fpga那边取数据，于是就需要用DMA，给fpga存放数据，最后用户再从DMA中取数据。

下面将来介绍一个实际的案例详细说明。

ADS111x连续采样实现

连续采样功能说明

ADS111x 数据手册关于连续采样功能说明
主要获取信息：

  • 在连续转化模式中，ADC 一旦上一个转化完成了 就会自动开始下一个转化；
  • 连续转化的速率 等于 编程的数据速率；数据能在任意时刻被读取 并且 数据总是对应着最近完成的转化（也就是数据会不断得刷新成新的）
    • 编程（可理解为设置）的数据速率。下图就是ads111x可编程（可理解为设置）的数据速率：
      ads111x Data rate

结论：

所以就是我们要实现连续采样（即及时得把adc每次转化的数据取出来）的话，我们读取adc的数据速率 就得跟得上 adc连续采样的速率，这样才不会丢失adc转换的数据。

iic读取adc的数据速率 VS adc连续采样的速率

adc连续采样的速率

ads111x Data rate

从上图可以看到最高的转化速率是860SPS（即每秒钟采集860个电压点），转换电压间隔是 1s / 860个 * 1000ms/s= 1.16279ms/个

iic读取adc的数据速率

iic通讯时间验证打印
根据试验，两次iic通讯操作间隔时间是3ms左右；意味着iic取数据的速率大概 3ms/个。

结论分析

  1. 用iic去取数据的速率时 3ms/s （间隔3ms才取1个数据），ads 在860SPS的转换速率下 3ms / 1.16279ms/个 = 2.58个，这样子的话每次都会丢1.58个数据，即用iic取数据的话，流失数据率是 1.58 / 2.58 = 61.2%。

  2. 假如在860SPS速率下，每秒860个，iic成功获取只有 860 * （1- 0.612） = 333.68 个，将近流失了 2/3 的数据点

  3. 所以得用一种跟得上860sps 速率的取数据方式：FPGA

FPGA读取adc数据

fpga读取数据的速率可以高于adc的连续采样速率。

问题一：读取adc数据过快造成数据多余

但是取数据的速度太快的话也会出现问题：同一个数据会被多次获取，造成数据错误多余

解决方案
就是在取数据的速率 高于 adc转换速率时，FPGA并不是一直取数据，而是当得知adc每次转换完成后，fpga再去取数据

如何得知adc转换完成了呢？adc正好有这个功能
ads111x 转换完成引脚触发

  1. 就是adc可以配置功能：使得一个特定的芯片引脚 空闲时得外部接上拉电阻进行上拉，每当adc转换时会拉低这个引脚，转换完成会释放（就会有一个上升沿，检测这个上升沿就可以知道adc转换完成）引脚。
  2. FPGA只要检测adc的这个引脚（相当于触发中断） 得知转换完成后 进行 取数据就好了

问题二：fpga没有那么多空间存储取回来的全部数据

开辟内存空间，FPGA就把取回来的数据存放在dma当中，通过dma存放到内存空间，最后用户再从内存空间中获取全部数据即可。

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