《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 可編程邏輯 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于FPGA的便攜式多路高精度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于FPGA的便攜式多路高精度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
王 威1,,盧翔宇2,張秋云1,,余恒松3
1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,,四川 綿陽(yáng)621000,; 2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 氣動(dòng)噪聲控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽(yáng)621000,; 3.西南科技大學(xué) 國(guó)防科技學(xué)院,,四川 綿陽(yáng)621000
摘要: 為滿(mǎn)足對(duì)旋翼槳葉表面多測(cè)點(diǎn)靈敏氣壓傳感器信號(hào)的高速、并行,、高精度數(shù)據(jù)采集,,同時(shí)具備程控增益放大、抗混疊濾波等功能,,設(shè)計(jì)了一種以FPGA作為核心控制單元的便攜式多路高精度前置采集系統(tǒng),。待測(cè)信號(hào)先由信號(hào)調(diào)理和濾波模塊處理,以提升信號(hào)質(zhì)量,,然后經(jīng)過(guò)ADC采樣模塊采集,最后通過(guò)SPI總線(xiàn)將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至主控板卡分析處理,,實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)同步高精度采集,。測(cè)試結(jié)果表明,該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,,在干擾較大的環(huán)境下,,小信號(hào)采集幅度精度達(dá)0.1%,無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍達(dá)60 dBc,。系統(tǒng)采用便攜化設(shè)計(jì),,體積小,成本低,,擴(kuò)展性強(qiáng),,具有很好的應(yīng)用價(jià)值。
中圖分類(lèi)號(hào): TN911.71,;TP274+.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190601
中文引用格式: 王威,,盧翔宇,張秋云,,等. 基于FPGA的便攜式多路高精度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2019,45(9):53-59.
英文引用格式: Wang Wei,,Lu Xiangyu,,Zhang Qiuyun,et al. Design of portable multi-channel high precision acquisition system based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique,,2019,,45(9):53-59.
Design of portable multi-channel high precision acquisition system based on FPGA
Wang Wei1,Lu Xiangyu2,,Zhang Qiuyun1,,Yu Hengsong3
1.School of Information Engineering,,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621000,,China,; 2.Key Laboratory of Aerodynamic Noise Control,China Aerodynamic Research and Development Center,,Mianyang 621000,,China; 3.School of National Defense of Science and Technology,,Southwest University of Science and Technology,,Mianyang 621000,China
Abstract: In order to meet the high-speed, parallel and high-precision data acquisition of the multi-point sensitive pressure sensor signals on the surface of the rotor blade, and with the functions of program-controlled gain amplification and anti-aliasing filtering, a portable multi-channel high precision front-end acquisition system with FPGA as the core control unit is designed. The measured signals are processed by signal conditioning and filtering module to improve the quality, and then collected by ADC sampling module, and finally the acquired data are transmitted to the main control board for analysis and processing through SPI bus in real time,,achieving synchronous and high-precision acquisition of multi-channel signals. The test results show that the system has stable performance, in small signal acquisition under large interference environment, the amplitude accuracy can attain 0.1%, the spurious-free dynamic range can reach up 60 dBc. The system utilizes a portable design, small size, low cost, strong scalability, and has a good application value.
Key words : FPGA,;portable;multichannel acquisition,;high-precision,;anti-interference

0 引言

    隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)愈來(lái)愈廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制,、測(cè)量,、通信和軍事等領(lǐng)域[1-2]。怎樣在體積受限,、能耗受限,、干擾大的環(huán)境中設(shè)計(jì)一個(gè)擁有多通道、高精度,、海量數(shù)據(jù)采集能力的系統(tǒng),,仍具有一定的研究?jī)r(jià)值[3-5]。本文以采集旋翼槳葉表面貼裝的多路靈敏氣壓傳感器信號(hào)為背景,,應(yīng)用場(chǎng)景簡(jiǎn)化示意如圖1所示,。若將傳感器信號(hào)直接引到下端采集,因線(xiàn)長(zhǎng)損耗和滑環(huán)的影響,,信號(hào)質(zhì)量受損嚴(yán)重,,為此提出了一種在旋翼中軸頂端設(shè)計(jì)一個(gè)前置采集裝置,工作時(shí)和槳葉一起旋轉(zhuǎn),,將待測(cè)信號(hào)直接在前端進(jìn)行調(diào)理和采集的系統(tǒng),。因此要求該系統(tǒng)的體積小、重量低,、散熱好,、便于攜帶與安裝、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固,,并能在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境中,,完成對(duì)多路待測(cè)信號(hào)的高精度采集,。常見(jiàn)的高精度采集設(shè)備體積大、價(jià)格昂貴且結(jié)構(gòu)復(fù)雜不便攜[6-7],,難以應(yīng)用于上述環(huán)境,。

ck1-t1.gif

    FPGA等邏輯可編程器件在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中具有重要地位,與單片機(jī),、DSP和ASIC芯片相比,,F(xiàn)PGA具有開(kāi)發(fā)周期短、風(fēng)險(xiǎn)小,、升級(jí)空間大,、可并發(fā)執(zhí)行和靈活可重構(gòu)等優(yōu)勢(shì)[8]。針對(duì)上述問(wèn)題,,本文以FPGA作為核心控制單元,,設(shè)計(jì)了一種便攜式多路高精度采集系統(tǒng),包含兩級(jí)程控放大,、可選低通濾波,、多路AD采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?,為采集領(lǐng)域中對(duì)體積、能耗,、采集精度,、抗干擾能力要求高的應(yīng)用場(chǎng)景提供了一種低成本、易實(shí)現(xiàn)的解決方案,。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示,,以FPGA為核心控制單元,包含電源管理模塊,、信號(hào)處理模塊,、濾波選通模塊和ADC采集模塊。FPGA核心控制模塊不僅完成對(duì)前端各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)運(yùn)行與邏輯控制,,還采用SPI總線(xiàn)協(xié)議與主控板卡通信,,實(shí)現(xiàn)命令交互和多路采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。

ck1-t2.gif

    系統(tǒng)工作時(shí)處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài),,并通過(guò)滑環(huán)供電,,提供穩(wěn)定的供電網(wǎng)絡(luò)是本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)[9]。鑒于待測(cè)信號(hào)微弱,、靈敏且應(yīng)用環(huán)境干擾大,,設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理模塊和濾波選通模塊,以提高待測(cè)信號(hào)的信噪比(Signal-Noise Ratio,,SNR),、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(Spurious-free Dynamic Range,,SFDR)、共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio,,CMRR)等性能指標(biāo),,是實(shí)現(xiàn)高精度采集的關(guān)鍵[10]。通過(guò)ADC采集模塊實(shí)現(xiàn)多路并行采樣,,由FPGA控制模塊通過(guò)SPI總線(xiàn)實(shí)時(shí)上傳采集數(shù)據(jù),,交由主控板卡實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)采集卡系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ),并組合數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端,。最后通過(guò)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,、處理和顯示。

2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 電源管理模塊

    為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的供電網(wǎng)絡(luò),,電源管理模塊設(shè)計(jì)中,,數(shù)字電源選用高效率DC/DC電源芯片,模擬電源選用TI高精度低噪聲LDO TPS7A4700和TPS7A3301等芯片,,外部采用±15 V/10 A穩(wěn)壓電源提供電能,,為系統(tǒng)提供了±12 V、±5 V,、3.3 V和1.2 V的穩(wěn)定工作電壓,。同時(shí)為保證電源質(zhì)量,電路設(shè)計(jì)中將電源所有器件放置于PCB版同一層,,走線(xiàn)盡可能短,,使用低ESR(Equivalent Series Resistance),高品質(zhì)的電感電容元件,。其中,,為FPGA提供電源的TPS75003芯片電路如圖3所示。

ck1-t3.gif

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

    氣壓傳感器信號(hào)靈敏且微弱,,為提升信號(hào)的采集精度和抗干擾能力,,設(shè)計(jì)選用高精度程控儀用放大器AD8250和AD8253,構(gòu)成兩級(jí)放大,,提供多種組合的增益放大倍數(shù)(1×1~10×100倍),,實(shí)現(xiàn)抑制噪聲、提高信噪比,、降低傳輸損耗的功能,。該放大器的主要特性如表1所示。

ck1-b1.gif

    經(jīng)過(guò)測(cè)試分析,,AD8250抑噪能力更強(qiáng),,適合做前級(jí)放大;AD8253增益范圍廣,,作為二級(jí)放大,,性能最優(yōu),。因此本系統(tǒng)單路信號(hào)程控增益放大電路設(shè)計(jì)如圖4所示,放大器級(jí)聯(lián),,并給出A0,、A1和WR端口連接FPGA,實(shí)現(xiàn)增益的程控配置,。

ck1-t4.gif

2.3 濾波選通模塊

    為提高信號(hào)的采樣質(zhì)量,,設(shè)計(jì)二階有源巴特沃斯低通濾波器,實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻噪聲的濾除,。選用TI高性能OPA2227運(yùn)算放大器,,其溫度漂移為±0.1 μV/℃,開(kāi)環(huán)增益為134 dB,,共模抑制比為140 dB,,結(jié)合高精度7.5 kΩ、133 kΩ電阻和620 pF,、62 pF電容,,實(shí)現(xiàn)截止頻率為25 kHz的低通濾波器,電路設(shè)計(jì)如圖5所示,。為實(shí)現(xiàn)濾波可選的功能,,采用ADG1634BCPZ選通芯片,并通過(guò)FPGA的控制實(shí)現(xiàn)通道選擇,。

ck1-t5.gif

2.4 ADC采集模塊

    為實(shí)現(xiàn)高速,、多路并行、高精度信號(hào)采集,,設(shè)計(jì)中選用Linear公司推出的逐次逼近型A/D芯片LTC2358-18,該芯片是一款18位,、低噪聲,、8通道同步采樣的ADC,數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)200 KS/s/通道,,提供CMOS和LVDS兩種接口,。為保證AD轉(zhuǎn)換精度,設(shè)計(jì)中選用2 ppm/℃,、±0.025%高性能芯片LTC6655提供轉(zhuǎn)換參考,。同時(shí),電路設(shè)計(jì)全部采用X7R高品質(zhì)電容,,并將AD芯片的供電與數(shù)字層供電隔離,。ADC采集電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

ck1-t6.gif

2.5 FPGA控制模塊

    為減小體積和能耗,,選擇基于Xilinx公司Spartan-3AN系列的XC3S400AN-4FTG256I這款FPGA芯片,,其內(nèi)置Flash,,自帶上電加載配置功能,無(wú)需外部存儲(chǔ)電路,,且價(jià)格低,,芯片尺寸17 mm×17 mm,具有較豐富的內(nèi)部邏輯資源,,滿(mǎn)足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。為進(jìn)一步縮減體積空間,,硬件電路設(shè)計(jì)將FPGA單獨(dú)布板,,將其余模塊設(shè)計(jì)到同樣大小的另一塊印制板中,并通過(guò)對(duì)插的形式連接整個(gè)采集系統(tǒng),,減小布線(xiàn)難度,增大散熱面積,。

3 系統(tǒng)FPGA程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    FPGA程序設(shè)計(jì)采用集成開(kāi)發(fā)套件ISE14.7和硬件描述語(yǔ)言(Verilog HDL)實(shí)現(xiàn),,利用在線(xiàn)邏輯分析軟件ChipScope驗(yàn)證邏輯設(shè)計(jì)的正確性。FPGA控制模塊頂層設(shè)計(jì)包括時(shí)鐘管理,、命令配置,、AD采集控制和數(shù)據(jù)傳輸控制子模塊,。以下簡(jiǎn)要介紹AD采集控制和數(shù)據(jù)傳輸控制子模塊的程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),。

3.1 AD采集控制

    設(shè)計(jì)采樣頻率為200 kHz,,進(jìn)行高速采樣,,此時(shí)8通道同步采集速度達(dá)到28.8 Mb/s(8×18 bit×200 kHz/s),,為了方便與FPGA進(jìn)行通信,選擇COMS接口,其時(shí)序如圖7所示,。在CMOS接口模式中,串行數(shù)據(jù)總線(xiàn)由串行時(shí)鐘輸入(SCKI),、串行數(shù)據(jù)輸入(SDI),、串行時(shí)鐘輸出(SCKO)和8個(gè)串行數(shù)據(jù)輸出(SDO0~SDO7),。FPGA與LTC2358在每個(gè)規(guī)定好的數(shù)據(jù)事務(wù)處理窗口期內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,。

ck1-t7.gif

    使用ChipScope對(duì)實(shí)際的采樣時(shí)序波形進(jìn)行捕獲,,得到信號(hào)抓取結(jié)果如圖8所示,。FPGA拉高CONVST信號(hào)以啟動(dòng)采集轉(zhuǎn)換,通過(guò)檢測(cè)BUSY信號(hào)下降沿判斷轉(zhuǎn)換是否完成,,在SDO端口獲取8個(gè)通道的采集數(shù)據(jù),。每個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集量為3 B(即24 bit:高6 bit為自定義配置信息,低18 bit為AD采樣值),,為減少ChipScope占用過(guò)多資源,圖中只顯示了通道4的采集數(shù)據(jù),,其值為“0x8D86FFh”,,對(duì)應(yīng)AD采樣值為“0x186FFh”,通過(guò)ADC傳遞函數(shù)計(jì)算得實(shí)際電壓值為+3.818 321 V,,驗(yàn)證了AD采集控制的正確性。

ck1-t8.gif

3.2 數(shù)據(jù)傳輸控制

    系統(tǒng)每采集完一次,,需及時(shí)將采集數(shù)據(jù)上傳至主控板卡。主控板卡完成命令下發(fā)與采集數(shù)據(jù)的接收,、存儲(chǔ),,并組合多個(gè)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)回傳至上位機(jī),。本系統(tǒng)與主控板卡之間的SPI總線(xiàn)通信信號(hào)說(shuō)明如表2所示。

ck1-b2.gif

    使用ChipScope捕獲系統(tǒng)傳輸采集數(shù)據(jù)時(shí)序波形如圖9所示,,由圖結(jié)果可知,在采樣間隔(CONVST上升沿間隔)期間,,系統(tǒng)通過(guò)SPI總線(xiàn)MISO[3:0]實(shí)時(shí)地將采集數(shù)據(jù)傳輸至主控板卡,。

ck1-t9.gif

4 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

    為測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo),,使用FLUKE公司的多功能校準(zhǔn)儀5522A作為高精度參考信號(hào)源,,其交流電壓測(cè)量范圍(10 mV~33 V)/(10 Hz~500 kHz),,最大允許誤差±(1.7×10-4~1.3×10-2),。上位機(jī)軟件基于LabVIEW開(kāi)發(fā),,按照標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)測(cè)規(guī)范,,實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的性能分析,軟件測(cè)試界面如圖10所示,。

ck1-t10.gif

    為分析系統(tǒng)在整個(gè)采集區(qū)間(-5 V~5 V)的性能,,以正弦信號(hào)為測(cè)試對(duì)象,,設(shè)置4個(gè)擋位(其交流信號(hào)有效值VRMS=3 182 mV、63.64 mV,、31.82 mV,、15.91 mV)和5個(gè)頻率擋位(f=50 Hz、1 kHz,、10 kHz,、15 kHz、20 kHz),,并通過(guò)上位機(jī)命令配置相應(yīng)的增益(依次對(duì)應(yīng)G=1,、50、100,、200倍)進(jìn)行放大,,使進(jìn)入AD芯片的電壓值接近最大采樣量程,提高采樣轉(zhuǎn)換率,。

    采集系統(tǒng)在靜態(tài)時(shí)不同增益下的指標(biāo)對(duì)比曲線(xiàn)如圖11所示,,其中圖11(a)~(c)依次表示幅度精度GA、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍SFDR,、共模抑制比CMRR與信號(hào)頻率f,、增益倍數(shù)G之間的關(guān)系。從圖中可知,,該系統(tǒng)對(duì)20 kHz范圍內(nèi)的交流信號(hào)均能達(dá)到很高的性能指標(biāo),,在增益G=200、VRMS=15.91 mV時(shí),,各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最低水平,,且總體指標(biāo)滿(mǎn)足:GA≤0.09%、SFDR≥72 dBc,、CMRR≥90 dB,。

ck1-t11.gif

    結(jié)合實(shí)際工作環(huán)境,將采集系統(tǒng)和滑環(huán)一起旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)速1 024 r/m)進(jìn)行測(cè)試,,圖12給出了最大增益(G=200,,VRMS=15.91 mV)下的GA和SFDR測(cè)試結(jié)果。由圖結(jié)果可知,,采用滑環(huán)供電時(shí),,各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均有所降低;且滑環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)進(jìn)一步影響指標(biāo),,但指標(biāo)下降較小,,說(shuō)明本系統(tǒng)設(shè)計(jì)具備一定的抗干擾能力;系統(tǒng)在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下仍具有GA≤0.1%,、SFDR≥60 dBc的良好性能指標(biāo),。

ck1-t12.gif

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種便攜式多路高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)具備程控增益放大,、低通濾波等功能,,能對(duì)多路交直流信號(hào)進(jìn)行高速并行采集。在高速旋轉(zhuǎn)等干擾較大的環(huán)境中,,仍具有幅度精度高于0.1%,、SFDR大于60 dBc等良好的性能指標(biāo)。采用便攜化設(shè)計(jì),,系統(tǒng)體積空間小,、便于攜帶和安裝,基于FPGA的模塊化設(shè)計(jì),,可擴(kuò)展性強(qiáng),,性能穩(wěn)定,易于維護(hù),,具有很好的應(yīng)用價(jià)值,。

參考文獻(xiàn)

[1] BAO S,YAN H,,CHI Q,,et al.A FPGA-based reconfigurable data acquisition system for industrial sensors[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2016PP(99):1.

[2] 張子明,,李喬楊,,周勇軍,等.一種便攜式多通道ARINC429總線(xiàn)信號(hào)檢測(cè)裝置的研制[J].測(cè)控技術(shù),,2018,,37(4):106-111.

[3] KHEDKAR A A,,KHADE R H.High speed FPGA-based data acquisition system[J].Microprocessors and Microsystems,2016,,49:87-94.

[4] 張根苗,,李斌,王群,,等.基于FPGA的高精度數(shù)字程控直流變換器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,43(11):139-142,,146.

[5] 李尚斌,,林永峰,樊楓.傾轉(zhuǎn)旋翼氣動(dòng)特性風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[J].工程力學(xué),,2018,,35(6):249-256.

[6] 錢(qián)軍.便攜式數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2018,,26(11):118-122.

[7] 周浩,,王浩全,任時(shí)磊.基于FPGA和NAND Flash的便攜式信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,,44(9):88-92.

[8] 楊海鋼,孫嘉斌,,王慰.FPGA器件設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展綜述[J].電子與信息學(xué)報(bào),,2010,32(3):714-727.

[9] 王巖,,張玲,,邢朝洋,等.基于FPGA的高精度硅微諧振加速度計(jì)數(shù)據(jù)采集與參數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào),,2015(3):394-398.

[10] 謝桂輝,,鄭旭初,趙天明,,等.基于FPGA的便攜式正交鎖相放大器研制[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,44(10):84-88,,93.



作者信息:

王  威1,,盧翔宇2,張秋云1,,余恒松3

(1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,,四川 綿陽(yáng)621000;

2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 氣動(dòng)噪聲控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,四川 綿陽(yáng)621000,;

3.西南科技大學(xué) 國(guó)防科技學(xué)院,,四川 綿陽(yáng)621000)

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。