基于FPGA的数据采集、通讯和存储系统设计（即FPGA+RTL8211千兆以太网+SD卡存储+RTC+Uart+AD7606数模转换+电流放大采集等硬件设计及程序验证）

本文主要介绍了学生期间自己做的一个小项目，便于学习初期对fpga的整体把握，涉及了很多常见、常用、常考和面试常问的知识点。
可以作为入门后的拓展学习和应对一些找工作的项目面试。
下面对硬件及软件代码进行简单梳理：
首先，介绍一下硬件系统的主要功能框图。其中FPGA作为处理单元，实现了包括电流和电压的采集、千兆以太网通讯、SD卡本地数据存储和串口通讯等。已经过板级测试，测试包含：千兆网通讯收发测试、AD采集的数据验证、SD卡存储验证、RTC实时时钟读取和RTC的RAM突发读取等。
PCB设计采用的是AD软件，Verilog程序通过quartus II软件编写。
系统分为硬件设计和软件设计。

一、硬件设计
下图分别为硬件的正面和反面，纯个人手工焊接。考虑了千兆以太网中的高速数据线的差分阻抗100Ω、数字电源和模拟电源的划分等，PCB主要采用四层板的设计方案。顶层和底层为信号走线层；第二层为完整的地层，分为数字地（DGND）和模拟地(AGND)，为顶层的信号层和电位电流模拟量的采集提供参考；第三层为电源层，本层提供较为完整的3.3V电源平面和模拟地平面，还有1.2V和2.5V的电源平面。
其中硬件设计中需注意的是千兆以太网的设计和电流采集部分。千兆网部分采用的是ETL8211EG芯片，支持千兆以太网，但要实现千兆网络，布线时要保证差分对的阻抗100Ω，需要考虑蛇形走线和线宽线距、参考层等因素。电流采集部分要考虑模拟地的划分和电流的放大倍数、高精度电阻等，这里我选的是INA240A系列，包含20、50、100、200四种增益可以选择。数模转换是8通道，每通道16位，支持并行的200SPS采样率的AD7606芯片。SD卡就是最常见的Micro SD Card，买的闪迪的16G的卡。RTC是常见的DS1302。考虑版面问题，数码管只留了一个。硬件下载AD源文件下载链接：https://download.csdn.net/download/qq_39521541/15110220

AD中的三维图如下：

各模块的原理图如下，这是初版的原理图，实际的硬件在此基础上进行了修改，但是变化不大，就不再截图了。

存储通讯和显示电路
二、软件程序编写
在以上硬件的基础上编写了程序，总程序5000余行。实现了AD7606电压和电流数据的采集和RTC的时间和内部RAM突发读写，然后并行的存储和通过千兆以太网与串口发送到电脑上。
程序的顶层模块设计如下图：

通过电脑上的网络助手同时采集到的串口数据、千兆以太网数据和用Winhex查看的SD卡内存储的数据如下图，数据完全一致。串口数据为什么也用网络助手显示呢，因为我板子上的串口上可以插上一个网络模块，这样串口数据也可以通过无线发送到电脑了，当然硬件上也有有线的串口端子，也进行了验证，不再截图赘述。

程序主要难点在于逻辑与时序的处理，程序中进行了一些时序的操作。为了方便我理清思路也进行了主要的时序图的绘制，如下图所示，画时序图的软件可以在这里下载https://download.csdn.net/download/qq_39521541/14951291，破解版很好用。
程序的模块结构如下图所示，其中4G其实就是串口，为了进行跨时钟域和SD的闪存，用了双口FIFO、双口RAM、单口RAM、ROM等IP核。

接下来是编译后的资源占用情况和编译信息，从图中可以看出基本不存在警告，其实现存的三个警告，完全不影响结果，而且知道警告存在的原因即可。

时序约束部分截图如下，时钟主要约束了50M的系统时钟、25M的SD卡时钟和125M的千兆网时钟。

最后的最后附上总的程序源码：https://download.csdn.net/download/qq_39521541/15110143
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