基于FPGA的存儲(chǔ)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 全文

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　　動(dòng)態(tài)測試技術(shù)是以捕捉和處理各種動(dòng)態(tài)信息為目的的一門綜合技術(shù)，它在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中地位十分重要，在航天航空、儀器儀表、交通運(yùn)輸、軍事、醫(yī)療等研究中均應(yīng)用廣泛。常用的測試方法有遙測與存儲(chǔ)測試，與無線電遙測儀相比，存儲(chǔ)測試儀結(jié)構(gòu)更為簡單、無需發(fā)送天線、體積小、功耗低。存儲(chǔ)測試技術(shù)是對(duì)被測對(duì)象沒有影響或影響在允許范圍的條件下，在被測體內(nèi)放置微型數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)測試儀，現(xiàn)場實(shí)

　　時(shí)完成信號(hào)的快速采集和存儲(chǔ)，事后回收，由計(jì)算機(jī)處理和再現(xiàn)測試信息同時(shí)保證測試儀器完好的一種動(dòng)態(tài)測試技術(shù)。由于存儲(chǔ)測試對(duì)測試結(jié)果影響較小，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，已經(jīng)漸漸成為測試動(dòng)態(tài)參數(shù)的重要手段。

　　1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　測試信號(hào)通過傳感器輸入測試電路中進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，隨后通過接口電路輸入到計(jì)算機(jī)中。測試參數(shù)限于一定范圍，測試通道數(shù)為4通道，最大采樣頻率為1 MHz，最大存儲(chǔ)容量為512 kW。本設(shè)計(jì)選用Altera公司推出的CycloneⅡ系列的EP2C5T144I8芯片。該芯片具有4608個(gè)邏輯單元，26塊M4K RAM塊，13個(gè)嵌入式乘法器，2個(gè)鎖相環(huán)，用戶I/O引腳數(shù)目有89，可以滿足設(shè)計(jì)要求，并且有一定余量，方便以后功能的擴(kuò)展。AD轉(zhuǎn)換器選用AD公司推出的AD7492，而存儲(chǔ)器選用NanoAmp公司推出的N08L163WC2A，容量為512 k×16 bit。系統(tǒng)的整體框圖如圖1。

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　　FPGA控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制，主要包括：AD控制、存儲(chǔ)器的讀寫、時(shí)鐘產(chǎn)生、負(fù)延遲計(jì)數(shù)及觸發(fā)模塊等。其中時(shí)鐘模塊為系統(tǒng)各芯片提供工作時(shí)鐘，并產(chǎn)生適合不同環(huán)境的采樣時(shí)鐘信號(hào)。負(fù)延遲模塊是為確保記錄信號(hào)的完整性，不致于把觸發(fā)信號(hào)以前的數(shù)據(jù)丟失。本設(shè)計(jì)負(fù)延遲為8 kW，負(fù)延遲計(jì)數(shù)器記滿(512-8)kW后停止計(jì)數(shù)，采樣結(jié)束。觸發(fā)模塊主要是對(duì)系統(tǒng)由一個(gè)環(huán)境進(jìn)入另一個(gè)環(huán)境的方式進(jìn)行控制。觸發(fā)方式包括外觸發(fā)、計(jì)數(shù)觸發(fā)、比較觸發(fā)。計(jì)數(shù)觸發(fā)是對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，采樣點(diǎn)數(shù)等于預(yù)設(shè)的計(jì)數(shù)點(diǎn)數(shù)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。比較觸發(fā)是采樣值與預(yù)設(shè)值作比較，當(dāng)采樣值大于或小于預(yù)設(shè)值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。

　　2 采樣策略的研究

　　2.1 變頻采樣的狀態(tài)設(shè)計(jì)

　　在一些測試中，例如彈丸在全彈道運(yùn)動(dòng)過程中的加速度變化、石油開采過程中射孔時(shí)的壓力變化，被測信號(hào)的頻率變化很大，因此僅由信號(hào)的最高上限截止頻率確定采樣頻率是不合理的，信號(hào)的采樣頻率應(yīng)該是可變的。因此，需要對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行采樣規(guī)律設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)一定的采樣策略，綜合考慮模糊誤差、測量時(shí)間、存儲(chǔ)容量等因素，從而達(dá)到最優(yōu)的測試效果。張文棟教授結(jié)合存儲(chǔ)測試?yán)碚撆c應(yīng)用對(duì)動(dòng)態(tài)測試的信號(hào)存儲(chǔ)過程提出了四種采樣策略，包括均勻采樣策略、自動(dòng)分段均勻采樣策略、編程分段自適應(yīng)均勻采樣策略以及自適應(yīng)采樣策略，這四種采樣策略均適合瞬態(tài)速變信號(hào)的存儲(chǔ)記錄。

　　根據(jù)被測信號(hào)頻率變化很大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖2所示的狀態(tài)圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)此類信號(hào)的變頻采樣。測試系統(tǒng)分環(huán)境對(duì)信號(hào)采樣記錄，每個(gè)環(huán)境的采樣頻率可以在采樣前進(jìn)行設(shè)置，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三個(gè)環(huán)境，即采樣頻率最多變化三次。

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　　在存儲(chǔ)測試開始之前，通過軟件編程將采集存儲(chǔ)過程分為幾個(gè)階段，根據(jù)被測信號(hào)的變化，每一個(gè)階段的采樣頻率、存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)、采樣開始時(shí)間會(huì)作自適應(yīng)的調(diào)整。首先接通電源使電路處于復(fù)位態(tài)，此時(shí)數(shù)字電源VDD為通電、模擬電源VEE為斷電狀態(tài)，系統(tǒng)中只有FPGA控制模塊工作;然后對(duì)電路編程設(shè)定各個(gè)環(huán)境的采樣頻率，給電路上電，電路進(jìn)入等待觸發(fā)態(tài)，此時(shí)VDD、VEE通電，存儲(chǔ)器、AD轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)，開始采樣，地址計(jì)數(shù)器開始工作;觸發(fā)信號(hào)TRI1到來后，進(jìn)入f1采樣態(tài)，系統(tǒng)按編程設(shè)定的采樣頻率f1開始采樣，負(fù)延遲計(jì)數(shù)器開始工作;2環(huán)境觸發(fā)后，系統(tǒng)按照設(shè)定的采樣頻率f2進(jìn)行采樣，此時(shí)處于f2采樣態(tài);3環(huán)境觸發(fā)后，系統(tǒng)按采樣頻率f3采樣，處于f3采樣態(tài);當(dāng)負(fù)延遲計(jì)數(shù)器計(jì)滿設(shè)定值時(shí)，地址計(jì)數(shù)器和負(fù)延遲計(jì)數(shù)器均停止工作，VEE斷電，系統(tǒng)進(jìn)入等待讀出態(tài);在讀出數(shù)據(jù)態(tài)，地址同步推進(jìn)，直到讀完所有的數(shù)據(jù)。

　　2.2 變頻采樣的模塊設(shè)計(jì)

　　采樣頻率決定了采樣信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量，采樣頻率太高，會(huì)使采得的信號(hào)數(shù)量劇增，占用大量的存儲(chǔ)單元，采樣頻率太低的話，會(huì)使模擬信號(hào)的某些信息丟失，恢復(fù)出的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)失真。為了達(dá)到最佳效果，必須根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)選擇合適的采樣頻率。圖3為設(shè)計(jì)的采樣時(shí)鐘選擇模塊。

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　　設(shè)計(jì)可選采樣頻率有八種，如圖3中1 MHz～1 kHz，都是由FPGA的時(shí)鐘模塊分頻而來，可根據(jù)實(shí)際情況修改。S1、S2為環(huán)境選擇信號(hào);P0～P2、P3～P5、P6～P8三組信號(hào)分別是三個(gè)環(huán)境的采樣頻率控制字，在測試前根據(jù)環(huán)境采樣頻率的需要來編程設(shè)定;模塊mux8為8選1數(shù)據(jù)選擇器，根據(jù)輸入的三個(gè)控制字來選擇對(duì)應(yīng)的采樣頻率輸出。系統(tǒng)上電后，環(huán)境選擇信號(hào)S1、S2為“00”，模塊mux3將1環(huán)境的采樣頻率控制字P0、P1、P2輸入到模塊mux8中，系統(tǒng)自動(dòng)以1環(huán)境的采樣頻率進(jìn)行采樣;2環(huán)境的觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)，S1、S2由“00”跳變?yōu)椤?0”，2環(huán)境的采樣頻率控制字P3～P5送到mux8中，以2環(huán)境的采樣頻率進(jìn)行采樣;當(dāng)3環(huán)境的觸發(fā)信號(hào)來臨，S1、S2由“10”跳變?yōu)椤?1”，3環(huán)境的采樣頻率控制字P6～P8被選中，系統(tǒng)以3環(huán)境的采樣頻率采樣。

　　3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　該實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦波信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，采樣策略選擇為三環(huán)境采樣，1環(huán)境采樣頻率為1 MHz，2環(huán)境為100 kHz，3環(huán)境為50 kHz，外觸發(fā)進(jìn)入1環(huán)境，計(jì)數(shù)觸發(fā)進(jìn)入2環(huán)境，計(jì)數(shù)值128 kW，計(jì)數(shù)觸發(fā)進(jìn)入3環(huán)境，計(jì)數(shù)值32 kW。系統(tǒng)采樣完畢后，連接到計(jì)算機(jī)通過上位機(jī)軟件讀取數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)波形如圖4。

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　　設(shè)置為計(jì)數(shù)128 kW進(jìn)入2環(huán)境，計(jì)數(shù)32 kW進(jìn)入3環(huán)境，而系統(tǒng)負(fù)延遲為8 kW，分為4個(gè)通道，因此1、2環(huán)境的分界點(diǎn)為(128+8)·1024/4=34816點(diǎn)，2、3環(huán)境的分界點(diǎn)為(128+8+32)*1024/4=43008點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)波形與計(jì)算值相符。如表1所示：

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　　通過上表可以看出，系統(tǒng)變頻采樣模塊的設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)的要求，并且系統(tǒng)是完全按照設(shè)定的采樣策略進(jìn)行采樣的。

　　4 結(jié)束語

　　介紹了一種用FPGA實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)測試存儲(chǔ)測試系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明系統(tǒng)能對(duì)信號(hào)進(jìn)行不失真采樣存儲(chǔ)。證實(shí)了所設(shè)計(jì)的采樣策略對(duì)多種變化規(guī)律的信號(hào)采集具有通用性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的變頻采樣，擴(kuò)展了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。