以FPGA為基礎(chǔ)的脈沖量采集模塊設(shè)計(jì)詳解

隨著脈沖量的采集在傳感器、雷達(dá)和遙測等系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛．對脈沖信號采集過程中的幅值、頻率和精度等參數(shù)的要求也不斷提高?。面對這些問題．所遇到的挑戰(zhàn)也越來越大。傳統(tǒng)的脈沖信號采集設(shè)計(jì)是采用分立元件搭建的單穩(wěn)態(tài)電路來實(shí)現(xiàn)．這種電路結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)．但其輸出信號的精度和穩(wěn)定度低，易受環(huán)境因素影響。因此，有必要設(shè)計(jì)一種高精度、高穩(wěn)定性的采集模塊來適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需求。

在硬件設(shè)計(jì)方案中主控芯片采用FPGA來完成所有的邏輯控制功能。這是因?yàn)镕PGA具有以下特點(diǎn)：

1）易擴(kuò)展。本系統(tǒng)功能模塊較多，利用大封裝FPGA并行輸入輸出管腳。很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。

2）控制功能強(qiáng)。硬件描述語言VHDL的描述能力和抽象能力很強(qiáng)。用它來描述集成電路的功能和結(jié)構(gòu)．并經(jīng)過不同級別的驗(yàn)證來形成不同級別的IP內(nèi)核模塊，具有很強(qiáng)的控制功能。

3）集成化程度高。系統(tǒng)將主要邏輯功能通過自下而上的設(shè)計(jì)方法集成在FPGA芯片內(nèi)。然后在印制板上布局、布線構(gòu)成系統(tǒng)模塊，大大提高了系統(tǒng)的集成度，使總體設(shè)計(jì)達(dá)到了小型化的要求。為了提高高速采集過程的可靠性和適應(yīng)市場發(fā)展微型化的要求．現(xiàn)提出了一種基于FPGA的脈沖+信號采集模塊。

總體設(shè)計(jì)

該模塊的作用是模擬數(shù)字量變換器的接口電路并采集數(shù)字量板卡輸出脈沖的個(gè)數(shù)、頻率、及幅值．方便用戶對數(shù)字量輸出板卡脈沖量功能模塊進(jìn)行調(diào)試與檢測．被測板卡采集模塊程序包含64路采集進(jìn)程，其主要功能有：

1）接收通用測試臺數(shù)字量板卡發(fā)出的64路脈沖量信號．并采集脈沖量個(gè)數(shù)、脈沖幅值、脈沖頻率等參數(shù)。

2）模擬數(shù)字量變換器向數(shù)字量板卡提供幀同步信號及移位脈沖信號．并采集數(shù)字量板卡發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。

下面將詳細(xì)介紹脈沖量采集模塊的電路組成及程序設(shè)計(jì)思路．整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 脈沖量采集模塊電路設(shè)計(jì)

如圖2所示的各脈沖量接口電路圖可知，每路脈沖信號以正負(fù)2路信號輸入被測板卡，后經(jīng)過光電隔離器轉(zhuǎn)換成單端脈沖信號。本模塊的主要功能是采集脈沖信號的幅值、個(gè)數(shù)及頻率．此模塊的電路設(shè)計(jì)共分2個(gè)部分：采集脈沖信號幅值部分和采集脈沖頻率及個(gè)數(shù)的部分。

第一部分為采集脈沖信號幅值功能。脈沖信號由通用測試臺輸入被測板卡后首先經(jīng)過調(diào)壓后輸入運(yùn)放AD824．經(jīng)過電壓跟隨后再輸人模擬開關(guān)ADG506。ADG506的最高輸入電壓為+15V，而箭機(jī)計(jì)算機(jī)字信號源高電平為+28V。因此，箭機(jī)計(jì)算機(jī)字?jǐn)?shù)據(jù)源脈沖在進(jìn)入模擬開關(guān)前必須進(jìn)行調(diào)壓，詳細(xì)電路如圖3所示。

圖3為脈沖信號和箭機(jī)計(jì)算機(jī)字移位脈沖信號和數(shù)據(jù)源信號調(diào)壓電路。脈沖信號高電平為15V，經(jīng)過電阻 調(diào)壓后變?yōu)?0V。箭機(jī)計(jì)算機(jī)字?jǐn)?shù)據(jù)源的移位脈沖與數(shù)據(jù)脈沖高電平調(diào)壓原理與此相同 ，調(diào)壓后脈沖信號高電平幅值為10V。

脈沖信號經(jīng)過調(diào)壓后輸入運(yùn)放AD824．其目的是進(jìn)行電壓跟隨。電壓跟隨即輸入電壓與輸出電壓相同．其放大倍數(shù)恒小于但接近于1．電壓跟隨器的輸入阻抗高．輸出阻抗低。在電路中可以起到阻抗匹配的作用．并可以起到增強(qiáng)電路驅(qū)動能力的作用。

本模塊需要采集64路脈沖信號的幅值．不可能采用每路脈沖信號配置一片AD轉(zhuǎn)換器的方案．因此本卡采用一片ADG506對應(yīng)8路脈沖信號．分通道采集的方案。該模擬開關(guān)包含16路輸入通道，其通道間切換頻率高達(dá)2．5MHz．而脈沖信號最高頻率為500kHz。因此該器件滿足需求。

模擬開關(guān)輸出電壓與輸入相同．而本板卡采用的AD9057的最高輸入電壓（基準(zhǔn)電壓）為2．5V。因此需將模擬開關(guān)輸出的脈沖信號再次調(diào)壓。其電路圖如圖4所示。

模擬開關(guān)輸出脈沖的幅值在O~IOV之間。在圖4中①點(diǎn)輸出最高電壓為+IOV，通過U69A電壓跟隨后②點(diǎn)電壓也為+10V，經(jīng)過電阻 ，分壓后③點(diǎn)電壓為+5V。經(jīng)過U69B電壓跟隨后④點(diǎn)電壓為+5V。AD9057的基準(zhǔn)電壓為+2．5V，即⑤點(diǎn)、⑥點(diǎn)電壓為+2．5V，根據(jù)虛短虛斷的原理得：

由式（1）可以推出⑦點(diǎn)電壓為2．3V，滿足AD9057的電壓需求。脈沖信號經(jīng)過AD9057轉(zhuǎn)換后變?yōu)?位并行數(shù)據(jù)信號送于主控邏輯芯片F(xiàn)PGA．FPGA負(fù)責(zé)采集AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)．并將數(shù)據(jù)打包后存于外部存儲器中。

第二部分為采集脈沖頻率及個(gè)數(shù)的電路．對于采集脈沖頻率及個(gè)數(shù)的電路與脈沖量接口電路相同，在此不做說明。脈沖量信號經(jīng)過光電隔離器件（HCPL一0631）后，變成單路脈沖，由FPGA采集此脈沖信號，并對脈沖高電平信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。在判斷到脈沖信號發(fā)送完成后將數(shù)據(jù)打包存于外部存儲器中。

3 脈沖量采集模塊程序設(shè)計(jì)

本模塊程序共包含2個(gè)進(jìn)程：電壓采集進(jìn)程和頻率、個(gè)數(shù)采集進(jìn)程。該模塊程序邏輯框圖如圖5所示。

在采集電壓信號時(shí)．首先由FPGA使能模擬開關(guān)，再選擇模擬開關(guān)8路中的一路。

模擬開關(guān)將脈沖信號送于AD9057．由其將脈沖信號轉(zhuǎn)化成8位數(shù)據(jù)，此時(shí)FPGA連續(xù)采集5次。然后再選通模擬開關(guān)的下一路．以此類推完成所有脈沖信號數(shù)的幅值采集工作。FPGA將采集到的數(shù)據(jù)依據(jù)不同的脈沖類型分別打包并加上幀標(biāo)識存于外部存儲器。

如圖6所示．d）【為脈沖信號輸入，cntl為頻率計(jì)數(shù)器，cnt為脈沖計(jì)數(shù)器，cnt2為延時(shí)計(jì)數(shù)器，在采集脈沖頻率及個(gè)數(shù)等參數(shù)時(shí)．主要采用計(jì)數(shù)器原理。當(dāng)判斷到脈沖信號的高電平后．計(jì)數(shù)器cnt、cntl分別加1．然后再判斷脈沖信號的低電平，在未檢測到脈沖信號的低電平時(shí)計(jì)數(shù)器cntl持續(xù)自加．直到檢測到脈沖信號的低電平時(shí)，cntl停止自加，此時(shí)它的值為脈沖信號的半個(gè)周期長度，由此可推出脈沖信號的頻率。當(dāng)脈沖信號為低電平時(shí)．開始檢測脈沖信號的下一高電平．在未檢測到脈沖信號的高電平時(shí)．計(jì)數(shù)器cnt2持續(xù)自加．若檢測到高電平后cnt2清零．cnt加l。反之，若cnt2自加至0X1388H后仍未檢測到脈沖信號的高電平則說明脈沖信號已經(jīng)發(fā)送完畢（該進(jìn)程工作時(shí)鐘頻率為10MHz．而脈沖信號的最小頻率為1Hz．因此當(dāng)計(jì)數(shù)器cnt2自加至OXl388H．說明在500ms內(nèi)沒有脈沖信號．脈沖信號已經(jīng)發(fā)送完成），則將計(jì)數(shù)器cnt、cntl所記錄的數(shù)據(jù)打包加上幀標(biāo)識存儲至外部存儲器。

利用計(jì)算機(jī)字?jǐn)?shù)據(jù)源需要采集的參數(shù)有數(shù)據(jù)源、移位脈沖的時(shí)延等。進(jìn)程工作時(shí)首先判斷幀同步信號（該信號為此功能模塊另一進(jìn)程產(chǎn)生），當(dāng)判斷到幀同步信號的下降沿時(shí)計(jì)數(shù)器ent開始計(jì)數(shù)．當(dāng)檢測到移位脈沖的上升沿時(shí)．計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。并采集數(shù)據(jù)位當(dāng)前數(shù)據(jù)．存人八位寄存器中的最高位。當(dāng)八位寄存器存滿后存人FIFO．FIFO達(dá)到一定深度后加入幀標(biāo)識存人外部數(shù)據(jù)存儲器。

4 結(jié)語

信號采集技術(shù)是系統(tǒng)速度和精度等性能提高的關(guān)鍵之一。該基于FPGA的脈沖量采集模塊技術(shù)提高了采集的速度和精度．具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。仿真和測試驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性．信號采集正常，沒有出現(xiàn)漏采集和誤采集現(xiàn)象．該設(shè)計(jì)已在某通用測試臺的研制中得到應(yīng)用，取得了滿意的結(jié)果。同時(shí)．該設(shè)計(jì)的思想和方法可以應(yīng)用到更加廣泛的信號采集技術(shù)領(lǐng)域。

該模塊主要采集脈沖信號和發(fā)送數(shù)據(jù)源．對工作時(shí)鐘要求較高。為了更好地實(shí)現(xiàn)通用性，如果對FPGA提供多路不同時(shí)鐘．在生成不同頻率脈沖時(shí)采用特定工作時(shí)鐘．可以大幅提高脈沖頻率的精度。