韓 賓，易志強，江 虹，張秋云，曾 潤

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽 621010)

0 引言

傳統(tǒng)的精密檢測產(chǎn)品多以DSP或RAM作為采集控制核心，存在功能單一、造價昂貴、時鐘頻率低、實時性差等缺點[1-3]。與DSP和ARM相比，F(xiàn)PGA具有時鐘頻率高、內(nèi)部延時小、開發(fā)周期短、運算速度快、編程配置靈活、集成度高、功耗低、內(nèi)部資源豐富等優(yōu)點，在實時高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域有著不可或缺的地位[4-5]。STM32雖然時鐘頻率低但由于其具有開發(fā)靈活、功耗低和性價比高等特點，非常適合作為數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)配置的處理器。

所以，本文設(shè)計了一種FPGA+STM32架構(gòu)的高精度多通道實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣頻率為四檔可調(diào)，最高為150 kHz的采樣率。通過合理地運用FPGA內(nèi)部資源和協(xié)調(diào)控制各模塊間的數(shù)據(jù)流，達到實時傳輸?shù)哪康腫6]。通過STM32配置采集參數(shù)和LCD數(shù)據(jù)實時顯示，增強了系統(tǒng)的完備性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由模擬信號采集系統(tǒng)、控制及預(yù)警系統(tǒng)、FPGA處理系統(tǒng)、STM32控制系統(tǒng)及其他外圍器件組成，其中模擬信號處理系統(tǒng)主要實現(xiàn)模擬信號放大及AD7609數(shù)據(jù)采集功能；控制及預(yù)警系統(tǒng)主要實現(xiàn)外部信號接入和采樣過閾值斷電與提醒功能；FPGA處理系統(tǒng)主要實現(xiàn)AD7609數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)實時緩存、選通開關(guān)及繼電器控制、串口收發(fā)控制和Flash數(shù)據(jù)存儲控制等功能；STM32控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)LCD顯示控制和外部鍵盤數(shù)據(jù)讀取等功能。

1.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)上電后，等待FPGA初始化完成將所有端口電平拉低。首先，F(xiàn)PGA通過串口接收STM32發(fā)送的配置參數(shù)，給被測設(shè)備通電并打開相應(yīng)被測信號的選通開關(guān)，將被測信號放大濾波后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；其次，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號緩存并組幀，判斷采集后的電壓是否超過用戶設(shè)置的閾值電壓，若超過閾值電壓則斷電保護并通過蜂鳴器提示；最后，將組幀的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到STM32單片機實現(xiàn)LCD實時顯示的功能和通過SPI接口發(fā)送到FLASH中進行實時存儲。

1.2 系統(tǒng)主要指標(biāo)

本文設(shè)計的采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

被測信號支持16路同步數(shù)據(jù)采樣；

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用頻率四檔可調(diào)，分別為10、50、100、150 kHz；

電壓測量誤差≤0.1%，電壓測量分辨率≤0.01 V；

輸入被測模擬電壓范圍為0.01～5 V。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和增強電路的抗干擾能力，主要介紹以下2個主要電路的硬件設(shè)計。

2.1 濾波放大電路設(shè)計

為了滿足輸入數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，本文設(shè)計了一個4階的巴特沃斯低通濾波放大電路[7]。使用程控放大器AD8253和AD8250構(gòu)成的4階有源巴特沃斯低通濾波電路截止頻率約為10 kHz。如圖2所示，采用程控放大器設(shè)計低通濾波器電路既能有效地濾除無用信號，還能將被測信號進行放大處理，增強了輸入信號的穩(wěn)定性和有效性。

圖2 放大濾波電路圖

2.2 AD7609采集電路設(shè)計

為了滿足系統(tǒng)的基本指標(biāo)，本設(shè)計采用2片高精度、低功耗、電荷再次分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7609實現(xiàn)16路通道并行數(shù)據(jù)采集功能，該產(chǎn)品是一款8通道、18位、真差分、同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如圖3所示，將引腳CONVST A與CONVST B相連施加同一個轉(zhuǎn)換信號能實現(xiàn)一個芯片的8通道同步采樣功能[8]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為FPGA處理和STM32控制兩部分，下面依次介紹系統(tǒng)主要功能模塊。

3.1 AD7609采集模塊

AD7609采樣模塊的控制功能流程圖如圖4所示，是控制CS片選信號拉低后，使轉(zhuǎn)換信號CONVST由高電平跳變?yōu)榈碗娖角褺USY信號的上升沿到來則轉(zhuǎn)換開始，直至檢測BUSY信號的下降沿，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成。轉(zhuǎn)換期間在SCLK的上升沿并行讀取采樣數(shù)據(jù)。經(jīng)多次實驗測試表明采用AD7609的并行數(shù)據(jù)輸出模式能夠滿足系統(tǒng)所需采樣頻率，并且數(shù)據(jù)采樣誤差≤0.1%，滿足系統(tǒng)所需要求。

3.2 采樣時鐘切換模塊

為了實現(xiàn)頻率四檔可調(diào)的功能，采用時鐘切換的方式實現(xiàn)頻率多檔可調(diào)，但在切換過程中為了避免產(chǎn)生毛刺和凸點造成數(shù)據(jù)采集出錯，系統(tǒng)通過采用多個寄存器級聯(lián)的方式防止采樣時鐘的毛刺產(chǎn)生。時鐘切換仿真圖如圖5所示，通過時鐘的兩兩切換方式，實現(xiàn)了4個時鐘的無縫切換，完成系統(tǒng)所需的采樣功能可調(diào)功能。

圖3 AD7609硬件電路圖

圖4 AD7609采樣流程圖

圖5 時鐘無縫切換仿真圖

3.3 數(shù)據(jù)緩存模塊

由于系統(tǒng)支持16通道并行數(shù)據(jù)采集，所以每次采集完成都會產(chǎn)生大量待處理數(shù)據(jù)，與STM32通信存在傳輸速率不匹配的問題。與傳統(tǒng)的乒乓緩存方式相比，該模塊存儲效率更高，數(shù)據(jù)緩存更加可靠[8]。如圖6所示，將采集后的數(shù)據(jù)RAM_1和RAM_2構(gòu)成的第一級乒乓數(shù)據(jù)緩存，對數(shù)據(jù)進行實時組幀和判別處理。然后再通過FIFO_1和FIFO_2構(gòu)成的第二級乒乓緩存完成STM32的數(shù)據(jù)實時顯示和FLASH實時數(shù)據(jù)存儲功能。圖7為乒乓緩存仿真時序圖，圖中標(biāo)注為數(shù)據(jù)緩存狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，通過采用嵌套式乒乓緩存方式能實現(xiàn)實時性數(shù)據(jù)傳輸與處理。

圖6 嵌套式乒乓緩存圖

3.4 FLASH存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊是將FPGA與FLASH芯片通過SPI接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫功能，本系統(tǒng)利用兩片存儲芯片S25FL32進行輪詢讀寫操作，既克服了NOR Flash的半雙工讀寫缺陷，又能提高數(shù)據(jù)存儲能力。該芯片具有成本低廉、讀寫可靠和應(yīng)用廣泛等特點，圖8為Flash讀寫流程圖。

圖7 嵌套式乒乓緩存仿真圖

圖8 FLASH數(shù)據(jù)讀寫流程圖

3.5 STM32控制模塊

本文采用STM32作輔助控制系統(tǒng)，主要實現(xiàn)參數(shù)配置和LCD數(shù)據(jù)顯示兩部分功能。

STM32狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖如圖9所示，STM32采用串口發(fā)送鍵盤輸入的配置參數(shù)，和接收回傳信號和采集數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD屏上進行顯示。若采集超過輸入閾值則及時發(fā)送斷電命令，從而更好地避免被測設(shè)備損壞。

圖9 STM32狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種采樣頻率可調(diào)的高精度16通道實時高速采集系統(tǒng)，利用FPGA內(nèi)部資源，設(shè)計了一種嵌套式的乒乓緩存方式。極大地發(fā)揮出FPGA并行數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)處理和FLASH存儲，增強了數(shù)據(jù)傳輸和存儲的可靠性、有效性和穩(wěn)定性。經(jīng)大量實驗數(shù)據(jù)驗證，該系統(tǒng)各通道平均采樣誤差約為0.093%。