針對某些特殊的測試試驗要求測試系統(tǒng)高性能,、微體積、低功耗,，在存儲測試理論基礎上,，進行了動態(tài)存儲測試系統(tǒng)的FPGA設計。介紹了該系統(tǒng)的組成,，對控制模塊進行了詳細設計,。針對測試環(huán)境的多樣性設計了采樣策略，能對頻率多變的信號進行實時記錄,。通過實驗驗證了設計的正確性,，證實了所設計的采樣策略對多種變化規(guī)律的信號采集具有通用性，擴展了系統(tǒng)的應用范圍,。
0 引言
動態(tài)測試技術是以捕捉和處理各種動態(tài)信息為目的的一門綜合技術,，它在當代科學技術中地位十分重要，在航天航空,、儀器儀表,、交通運輸、軍事,、醫(yī)療等研究中均應用廣泛,。常用的測試方法有遙測與存儲測試，與無線電遙測儀相比,，存儲測試儀結構更為簡單,、無需發(fā)送天線,、體積小、功耗低,。存儲測試技術是對被測對象沒有影響或影響在允許范圍的條件下,，在被測體內放置微型數據采集存儲測試儀，現場實時完成信號的快速采集和存儲,，事后回收,，由計算機處理和再現測試信息同時保證測試儀器完好的一種動態(tài)測試技術。由于存儲測試對測試結果影響較小,，測試數據準確可靠,，已經漸漸成為測試動態(tài)參數的重要手段。
1 系統(tǒng)整體設計
測試信號通過傳感器輸入測試電路中進行處理并存儲,，隨后通過接口電路輸入到計算機中,。測試參數限于一定范圍，測試通道數為4通道,，最大采樣頻率為1 MHz,，最大存儲容量為512 kW。本設計選用Altera公司推出的CycloneⅡ系列的EP2C5T144I8芯片,。該芯片具有4608個邏輯單元,，26塊M4K RAM塊，13個嵌入式乘法器,，2個鎖相環(huán),，用戶I／O引腳數目有89，可以滿足設計要求,，并且有一定余量,，方便以后功能的擴展。AD轉換器選用AD公司推出的AD7492,，而存儲器選用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,。
FPGA控制模塊實現對整個系統(tǒng)的邏輯控制,，主要包括：AD控制、存儲器的讀寫,、時鐘產生,、負延遲計數及觸發(fā)模塊等。其中時鐘模塊為系統(tǒng)各芯片提供工作時鐘,，并產生適合不同環(huán)境的采樣時鐘信號,。負延遲模塊是為確保記錄信號的完整性，不致于把觸發(fā)信號以前的數據丟失,。本設計負延遲為8 kW,，負延遲計數器記滿(512-8)kW后停止計數,，采樣結束。觸發(fā)模塊主要是對系統(tǒng)由一個環(huán)境進入另一個環(huán)境的方式進行控制,。觸發(fā)方式包括外觸發(fā),、計數觸發(fā)、比較觸發(fā),。計數觸發(fā)是對采樣點數進行計數,，采樣點數等于預設的計數點數時，就會產生觸發(fā)信號,。比較觸發(fā)是采樣值與預設值作比較,，當采樣值大于或小于預設值時就會產生觸發(fā)信號。
2 采樣策略的研究
2．1 變頻采樣的狀態(tài)設計
在一些測試中,，例如彈丸在全彈道運動過程中的加速度變化,、石油開采過程中射孔時的壓力變化，被測信號的頻率變化很大,，因此僅由信號的最高上限截止頻率確定采樣頻率是不合理的,，信號的采樣頻率應該是可變的。因此,，需要對被測信號進行采樣規(guī)律設計,，即設計一定的采樣策略，綜合考慮模糊誤差,、測量時間,、存儲容量等因素，從而達到最優(yōu)的測試效果,。張文棟教授結合存儲測試理論與應用對動態(tài)測試的信號存儲過程提出了四種采樣策略，包括均勻采樣策略,、自動分段均勻采樣策略,、編程分段自適應均勻采樣策略以及自適應采樣策略，這四種采樣策略均適合瞬態(tài)速變信號的存儲記錄,。
根據被測信號頻率變化很大的特點,，設計如圖2所示的狀態(tài)圖，實現對此類信號的變頻采樣,。測試系統(tǒng)分環(huán)境對信號采樣記錄,，每個環(huán)境的采樣頻率可以在采樣前進行設置，本系統(tǒng)設計為三個環(huán)境,，即采樣頻率最多變化三次,。
在存儲測試開始之前，通過軟件編程將采集存儲過程分為幾個階段,，根據被測信號的變化,，每一個階段的采樣頻率,、存儲點數、采樣開始時間會作自適應的調整,。首先接通電源使電路處于復位態(tài),，此時數字電源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,；然后對電路編程設定各個環(huán)境的采樣頻率，給電路上電,，電路進入等待觸發(fā)態(tài),，此時VDD、VEE通電,，存儲器,、AD轉換器啟動，開始采樣,，地址計數器開始工作,；觸發(fā)信號TRI1到來后，進入f1采樣態(tài),，系統(tǒng)按編程設定的采樣頻率f1開始采樣,，負延遲計數器開始工作；2環(huán)境觸發(fā)后,，系統(tǒng)按照設定的采樣頻率f2進行采樣,，此時處于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)；當負延遲計數器計滿設定值時,，地址計數器和負延遲計數器均停止工作,，VEE斷電，系統(tǒng)進入等待讀出態(tài),；在讀出數據態(tài),，地址同步推進，直到讀完所有的數據,。
2．2 變頻采樣的模塊設計
采樣頻率決定了采樣信號的質量和數量,，采樣頻率太高，會使采得的信號數量劇增,，占用大量的存儲單元,，采樣頻率太低的話，會使模擬信號的某些信息丟失,，恢復出的信號會出現失真,。為了達到最佳效果,，必須根據信號的特點選擇合適的采樣頻率。圖3為設計的采樣時鐘選擇模塊,。
設計可選采樣頻率有八種,，如圖3中1 MHz～1 kHz，都是由FPGA的時鐘模塊分頻而來,，可根據實際情況修改,。S1、S2為環(huán)境選擇信號,；P0～P2,、P3～P5、P6～P8三組信號分別是三個環(huán)境的采樣頻率控制字,，在測試前根據環(huán)境采樣頻率的需要來編程設定,；模塊mux8為8選1數據選擇器，根據輸入的三個控制字來選擇對應的采樣頻率輸出,。系統(tǒng)上電后,，環(huán)境選擇信號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)自動以1環(huán)境的采樣頻率進行采樣,；2環(huán)境的觸發(fā)信號到來時，S1,、S2由“00”跳變?yōu)?ldquo;10”,，2環(huán)境的采樣頻率控制字P3～P5送到mux8中，以2環(huán)境的采樣頻率進行采樣,；當3環(huán)境的觸發(fā)信號來臨,，S1、S2由“10”跳變?yōu)?ldquo;11”,，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 實驗驗證
該實驗對標準信號發(fā)生器輸出的正弦波信號進行采集和存儲,，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)進入1環(huán)境,，計數觸發(fā)進入2環(huán)境,，計數值128 kW,，計數觸發(fā)進入3環(huán)境，計數值32 kW,。系統(tǒng)采樣完畢后,，連接到計算機通過上位機軟件讀取數據，實驗波形如圖4,。
設置為計數128 kW進入2環(huán)境,，計數32 kW進入3環(huán)境，而系統(tǒng)負延遲為8 kW,，分為4個通道,，因此1、2環(huán)境的分界點為(128+8)·1024／4=34816點,，2,、3環(huán)境的分界點為(128+8+32)*1024／4=43008點，實驗波形與計算值相符,。如表1所示：
通過上表可以看出,，系統(tǒng)變頻采樣模塊的設計滿足系統(tǒng)的要求，并且系統(tǒng)是完全按照設定的采樣策略進行采樣的,。
4 結束語
介紹了一種用FPGA實現的動態(tài)測試存儲測試系統(tǒng),。通過實驗驗證，表明系統(tǒng)能對信號進行不失真采樣存儲,。證實了所設計的采樣策略對多種變化規(guī)律的信號采集具有通用性,，實現了對信號的變頻采樣，擴展了系統(tǒng)的應用范圍,。