牛紅濤　黃建瓊　張志峰　王巍　馬軻瀛

摘? 要： 時(shí)間頻率技術(shù)已廣泛應(yīng)用于通信、儀表和自動控制系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域，為了改進(jìn)低頻方波信號的掃頻時(shí)間檢測技術(shù)，提出一種新的基于FPGA電路的掃頻時(shí)間檢測技術(shù)。詳細(xì)介紹掃頻時(shí)間檢測裝置的檢測系統(tǒng)原理，并對掃頻時(shí)間檢測算法進(jìn)行理論分析。設(shè)計(jì)基于FPGA控制芯片的掃頻時(shí)間檢測電路，實(shí)現(xiàn)低頻掃頻時(shí)間參數(shù)的自動檢測功能。通過與高性能示波器測量方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較和分析，結(jié)果顯示，該文提出的方法檢測效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高性能示波器測量方法，且具有測量穩(wěn)定及測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。在制動時(shí)間、轉(zhuǎn)速、車速以及瞬時(shí)速度等參數(shù)的檢測校準(zhǔn)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 掃頻時(shí)間檢測; 檢測裝置; 檢測電路設(shè)計(jì); 軟件設(shè)計(jì); 參數(shù)檢測; 結(jié)果分析

中圖分類號： TN98?34; TH71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）20?0014?04

A frequency sweep time detection technology based on FPGA circuit

NIU Hongtao， HUANG Jianqiong， ZHANG Zhifeng， WANG Wei， MA Keying

（National Institute of Measurement and Testing Technology， Chengdu 610021， China）

Abstract： The time frequency technology has been widely used in many fields such as communication， instrument， automatic control system， etc. A new frequency sweep time detection technology based on FPGA circuit is proposed to improve the frequency sweep time detection technology for low?frequency square signal. The principle of the detection system for frequency sweep time detection device is introduced in detail， and the frequency sweep time detection algorithm is analyzed theoretically. The frequency sweep time detection circuit based on the FPGA control chip is designed， so that the automatic detection function of the low?frequency sweep time parameter is realized. The results obtained by the measuring method of high?performance oscilloscope and the results obtained from the proposed method are compared and analyzed. The results show that the detection efficiency of the proposed method is much higher than that of the high?performance oscilloscope measurement method. It has the advantages of high measurement stability and high measurement accuracy， and has important application values in the detection and calibration fields of parameters such as braking time， rotational speed， vehicle speed and instantaneous speed.

Keywords： frequency sweep time detection; detection device; detection circuit design; software design; parameter detection; result analysis

0? 引? 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，時(shí)間頻率相關(guān)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于通信、儀表和自動控制系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域，與生產(chǎn)生活密切相關(guān)，在民用、工業(yè)、軍事、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在電子儀表及工業(yè)領(lǐng)域，變頻信號的使用十分常見，如正弦波信號和方波信號等。這種周期信號可以作為基準(zhǔn)信號廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)速測量、距離測量、通信系統(tǒng)或與時(shí)間頻率相關(guān)的電路設(shè)計(jì)。用于產(chǎn)生變頻信號的儀器有掃頻信號發(fā)生器和函數(shù)信號發(fā)生器等裝置，這些裝置產(chǎn)生的信號幅度恒定，頻率可在限定范圍內(nèi)做線性變化，對于研究轉(zhuǎn)速、加速度、時(shí)基穩(wěn)定度等參數(shù)的檢測校準(zhǔn)技術(shù)有重要意義。目前國內(nèi)學(xué)者對掃頻信號發(fā)生器開展了相關(guān)研究，已通過應(yīng)用FPGA控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了掃頻信號的輸出[1?4]功能。此外，在汽車檢測或電機(jī)檢測領(lǐng)域，變頻信號與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，對瞬時(shí)速度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的檢測往往需要通過傳感器將被測信號轉(zhuǎn)換成方波信號進(jìn)行檢測，而信號頻率變化之間的時(shí)間間隔，即掃頻時(shí)間，則反應(yīng)了汽車、發(fā)動機(jī)或電機(jī)的加速或減速性能。目前，已有許多學(xué)者開展了汽車性能檢測技術(shù)研究，這些研究主要是關(guān)于汽車底盤測功機(jī)檢測技術(shù)[5?8]。也有學(xué)者開展掃頻時(shí)間檢測技術(shù)研究，尤其是在汽車性能檢測領(lǐng)域[9?10]。雖然國內(nèi)開展了大量關(guān)于掃頻信號發(fā)生器、汽車底盤測功機(jī)的研究，可是關(guān)于掃頻時(shí)間檢測技術(shù)的研究還較少，由于變頻信號應(yīng)用廣泛，開展掃頻時(shí)間檢測技術(shù)研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

針對這一情況，本文開展了關(guān)于低頻方波信號的掃頻時(shí)間檢測技術(shù)研究，提出了一種新的基于FPGA電路的掃頻時(shí)間檢測技術(shù)。通過應(yīng)用提出的掃頻時(shí)間檢測算法以及利用FPGA并行數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)低頻掃頻時(shí)間參數(shù)的自動檢測，其檢測效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高性能示波器測量方法，具有測量穩(wěn)定及測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。在制動時(shí)間、轉(zhuǎn)速、車速以及瞬時(shí)速度等參數(shù)的檢測校準(zhǔn)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1? 掃頻時(shí)間檢測裝置設(shè)計(jì)

由于FPGA電路可以實(shí)現(xiàn)精密時(shí)間間隔的測量[11?12]，為了實(shí)現(xiàn)變頻信號之間的時(shí)間間隔檢測，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA電路的掃頻時(shí)間檢測裝置，該裝置應(yīng)用信號濾波技術(shù)提高檢測電路抗噪聲能力，應(yīng)用100 MHz的時(shí)鐘頻率進(jìn)行掃頻時(shí)間參數(shù)的測量，可以提高時(shí)間參數(shù)測量的精度，實(shí)現(xiàn)低頻掃頻時(shí)間參數(shù)的自動檢測。

1.1? 檢測系統(tǒng)原理

掃頻時(shí)間檢測裝置的系統(tǒng)原理如圖1所示。

被測儀器或光電編碼器產(chǎn)生的變頻信號經(jīng)過同軸信號線與掃頻時(shí)間檢測裝置相連接，掃頻時(shí)間檢測裝置通過阻抗匹配模塊將被測方波掃頻信號的電壓轉(zhuǎn)換至FPGA測量控制電路許可的電壓范圍5 V以內(nèi)，由FPGA測量控制電路采用掃頻時(shí)間檢測算法實(shí)時(shí)對掃頻信號進(jìn)行處理和計(jì)算。設(shè)被測信號的頻率從高到低變化，當(dāng)被測信號的瞬時(shí)頻率小于等于設(shè)定的頻率起始點(diǎn)的數(shù)值時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)被測信號的瞬時(shí)頻率小于設(shè)定的頻率終止點(diǎn)的數(shù)值時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)，從而可以計(jì)算出掃頻信號從高頻變化到低頻所經(jīng)歷的時(shí)間間隔，即掃頻時(shí)間。

圖1中FPGA測量控制電路是由PLL時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、瞬時(shí)頻率及時(shí)間間隔檢測模塊、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制模塊以及串口發(fā)送模塊構(gòu)成，如圖2所示。系統(tǒng)采用外部50 MHz晶振驅(qū)動PLL時(shí)鐘產(chǎn)生模塊，而PLL時(shí)鐘產(chǎn)生模塊為FPGA測量控制電路提供5 MHz，50 MHz和100 MHz共3種工作時(shí)鐘。瞬時(shí)頻率及時(shí)間間隔檢測模塊采用100 MHz工作時(shí)鐘對被測方波信號進(jìn)行實(shí)時(shí)頻率檢測，采用掃頻時(shí)間檢測算法對每一個(gè)連續(xù)的方波信號的上升邊沿進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，如果被測信號頻率達(dá)到設(shè)置的起始頻率則啟動計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)被測信號的瞬時(shí)頻率達(dá)到設(shè)置的終止頻率則停止計(jì)時(shí)，從而可以得到起始頻率和終止頻率之間的精確的時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)對變頻信號進(jìn)行自動掃頻時(shí)間檢測功能。由于FPGA測量電路采用100 MHz時(shí)鐘對被測信號進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì)算，每隔10 ns對信號進(jìn)行一次邊沿檢測，提高測量系統(tǒng)的精度。由于FPGA測量電路測量掃頻時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)器采用48位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，為了便于輸出顯示還需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了十六進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制模塊實(shí)現(xiàn)進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換功能，由于數(shù)據(jù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換過程中耗時(shí)較多，需要較低的時(shí)鐘頻率。因此采用PLL提供的5 MHz時(shí)鐘驅(qū)動。最后通過串口發(fā)送模塊將轉(zhuǎn)換后的十進(jìn)制數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示和分析。串口發(fā)送模塊采用PLL產(chǎn)生的50 MHz時(shí)鐘進(jìn)行驅(qū)動，并在模塊內(nèi)部進(jìn)行降頻處理，得到串口發(fā)送需要的低頻時(shí)鐘信號，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送功能。

1.2? 掃頻時(shí)間檢測算法

在實(shí)際應(yīng)用中往往需要將周期信號轉(zhuǎn)換成方波信號來計(jì)算信號頻率參數(shù)，因此本文主要研究方波信號的掃頻時(shí)間檢測算法。設(shè)f為連續(xù)的方波信號集合，可以表示為：

[f=fx1，fx2，…，fxm]? （1）

式中，[fxk]為單個(gè)方波信號，可表示為：

[fxk=A，? ? ? ? 0≤xk

式中：[A]表示方波信號的幅值;[T（xk）]為方波信號[fxk]的周期，而[k=1，2，…，m]。因此，連續(xù)方波信號周期的集合T可以表示為：

[T=Tx1，Tx2，…，Txm] （3）

本文提出的掃頻時(shí)間測量方法通過測量連續(xù)方波信號的瞬時(shí)頻率來確定計(jì)時(shí)的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，而方波信號的瞬時(shí)頻率可以通過測量信號的周期間接計(jì)算得到。對于頻率隨時(shí)間變化的方波信號，通過加窗函數(shù)的方法對信號進(jìn)行截取，然后計(jì)算截取得到的若干個(gè)方波信號的周期，再將周期轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)頻率，然后通過不斷移動窗函數(shù)的位置就可以對整個(gè)連續(xù)方波信號進(jìn)行瞬時(shí)頻率的計(jì)算。對連續(xù)方波信號的周期集合T進(jìn)行加窗函數(shù)運(yùn)算，可得到處理后的信號周期集合[Tc]，可以表示為：

[Tc=Tcx1，Tcx2，…，Tcxm-n+1] （4）

式中，

[Tc（xi）=k=ii+n-1WkT（xk）] （5）

式中：[i=1，2，…，m-n+1];而[W=[W1，W2，…，Wm]]，本文設(shè)置[W1=W2=…=Wm=1]。在FPGA測量控制電路中，應(yīng)用提出的掃頻時(shí)間檢測算法實(shí)時(shí)對連續(xù)的方波信號進(jìn)行瞬時(shí)頻率計(jì)算，對于某一個(gè)方波信號，通過計(jì)算該方波信號及其后連續(xù)的2個(gè)方波信號的頻率平均值來確定該方波信號的瞬時(shí)頻率。因此將式（5）中的n值設(shè)置為3。

2? FPGA電路設(shè)計(jì)

掃頻時(shí)間檢測裝置采用Cyclone IV E系列EP4CE10F?

17C8控制芯片。該芯片具有功耗低和性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，在儀器儀表類產(chǎn)品及工業(yè)控制產(chǎn)品中有重要的應(yīng)用前景。該芯片中的M9K存儲器模塊具有9 Kbit的嵌入式SRAM 存儲器，能夠滿足本項(xiàng)目系統(tǒng)運(yùn)行過程中進(jìn)行各種數(shù)據(jù)存儲的需求。此外，通過使用芯片中的乘法器，便于實(shí)現(xiàn)更加高效的并行結(jié)構(gòu)的掃頻時(shí)間檢測算法。除了核心架構(gòu)資源，該芯片還擁有2個(gè)PLL時(shí)鐘管理單元和多個(gè)系統(tǒng)I/O，便于對本項(xiàng)目系統(tǒng)電路時(shí)鐘的管理。為了保障FPGA測量控制電路的正常運(yùn)行，避免FPGA電路中的指令代碼因掉電而丟失的情況，在系統(tǒng)上電后，通過主動串行方式（AS），由FPGA主動輸出控制和同步信號發(fā)送給專用的串行芯片W25Q16。在串行芯片收到命令后，再把配置數(shù)據(jù)加載到FPGA電路的SRAM中，然后FPGA測量電路才能正常的工作。圖3所示為FPGA主動串行方式配置電路的原理圖。掃頻時(shí)間檢測裝置在FPGA測量控制電路與被測方波信號連接端子處設(shè)有分壓電阻，以限制被測信號的最高電壓，從而實(shí)現(xiàn)對被測方波信號的掃頻時(shí)間檢測功能。

被測方波信號的掃頻時(shí)間參數(shù)在FPGA測量控制電路中是以48位二進(jìn)制數(shù)字的形式進(jìn)行運(yùn)算和處理的。為了便于上位機(jī)進(jìn)行顯示和處理，將掃頻時(shí)間參數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)采用串口轉(zhuǎn)USB芯片CH340G實(shí)現(xiàn)FPGA測量控制電路與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸功能。CH340G芯片是一種支持 5 V 或 3.3 V 供電的 USB 總線轉(zhuǎn)接芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)USB 轉(zhuǎn)串口協(xié)議，支持通信波特率 50 b/s～2 Mb/s，可以通過一根普通的 USB數(shù)據(jù)線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。串口轉(zhuǎn)USB芯片CH340G與FPGA控制芯片的連接示意圖如圖4所示。

3? 軟件設(shè)計(jì)

基于FPGA電路的掃頻時(shí)間檢測裝置采用了Cyclone IV E系列的FPGA控制芯片，其測量算法是通過Verilog HDL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)的，主程序流程圖如圖5所示。軟件工作原理是應(yīng)用掃頻時(shí)間檢測算法通過信號上升沿來檢測信號的瞬時(shí)頻率，如果信號的瞬時(shí)頻率滿足設(shè)置的起始頻率，則啟動計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。由于FPGA控制芯片的并行數(shù)據(jù)處理優(yōu)點(diǎn)，信號處理電路還能實(shí)時(shí)對信號瞬時(shí)頻率進(jìn)行檢測，當(dāng)信號瞬時(shí)頻率滿足設(shè)置的結(jié)束頻率時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)功能，并將掃頻時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)形式發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理和分析。在掃頻時(shí)間檢測軟件中采用了2個(gè)脈沖寬度寄存器R1和R2交替連續(xù)的方波信號脈沖寬度進(jìn)行計(jì)算，因此可以得到連續(xù)每一個(gè)方波信號的瞬時(shí)頻率。圖6所示為這種方波信號瞬時(shí)頻率檢測算法的ModelSim軟件仿真圖。

4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文采用Keysight 33600A系列函數(shù)信號發(fā)生器來模擬頻率線性變化的掃頻信號，然后通過掃頻時(shí)間檢測裝置和Tektronix MSO64混合信號示波器對該掃頻信號同時(shí)測量，并對掃頻時(shí)間測量結(jié)果進(jìn)行比較和分析。通過函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率從70 kHz線性變化到10 kHz的掃頻信號，掃頻時(shí)間分別設(shè)置為10 s和20 s，那么信號頻率從50 kHz線性變化到20 kHz需要的時(shí)間則分別為5 s和10 s。圖7顯示了函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率從70 kHz線性變化到10 kHz的掃頻信號截圖。

本文采用混合信號示波器和掃頻時(shí)間檢測裝置對頻率從70 kHz線性降至10 kHz的變頻信號進(jìn)行掃頻時(shí)間測量，設(shè)置掃頻時(shí)間測量的起始頻率和終止頻率分別為50 kHz和20 kHz，對該信號進(jìn)行3次掃頻時(shí)間測量的平均值如表1所示。

通過比較可知，采用掃頻時(shí)間檢測裝置和示波器測量方法都能得到準(zhǔn)確的掃頻時(shí)間參數(shù)，其測量結(jié)果非常接近，測量誤差小于1 ms?？墒牵捎檬静ㄆ鳒y量方法需要將掃頻信號進(jìn)行連續(xù)存儲，然后將存儲的信號數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中通過Matlab軟件采用類似的掃頻時(shí)間檢測算法進(jìn)行分析計(jì)算，數(shù)據(jù)處理量較大。由于實(shí)驗(yàn)中使用的示波器的最大存儲深度為62.5 MS樣點(diǎn)，因此采樣率最高可設(shè)為3.125 MS/s，而基于FPGA電路的掃頻時(shí)間檢測裝置對信號進(jìn)行分析的速率為100 MS/s?？梢钥闯?，采用示波器測量方法對掃頻信號進(jìn)行分析的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基于FPGA電路的掃頻時(shí)間檢測裝置，而且應(yīng)用高端示波器檢測方法來檢測掃頻時(shí)間參數(shù)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，檢測時(shí)間較長，不能實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果;而采用基于FPGA電路的掃頻時(shí)間檢測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對低頻掃頻信號掃頻時(shí)間參數(shù)的自動檢測。實(shí)驗(yàn)中還采用掃頻時(shí)間檢測裝置對表1中的掃頻時(shí)間信號進(jìn)行11次測量，其測量結(jié)果的均方差低至1.5×10-4 s。因此，本文提出的基于FPGA電路的掃頻時(shí)間檢測裝置具有很高的測量精度。

5? 結(jié)? 論

針對低頻方波信號的掃頻時(shí)間檢測問題，本文提出了一種新的基于FPGA電路的掃頻時(shí)間檢測技術(shù)。詳細(xì)介紹了掃頻時(shí)間檢測裝置的檢測系統(tǒng)原理，并對掃頻時(shí)間檢測算法進(jìn)行了理論分析，設(shè)計(jì)了基于FPGA控制芯片的掃頻時(shí)間檢測電路，通過應(yīng)用掃頻時(shí)間檢測算法以及利用FPGA并行數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)低頻掃頻時(shí)間參數(shù)的自動檢測。通過與高性能示波器測量方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析，結(jié)果顯示本文提出的基于FPGA電路的掃頻時(shí)間檢測裝置能夠?qū)崟r(shí)檢測和顯示掃頻時(shí)間測量結(jié)果，其檢測效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高性能示波器測量方法，具有測量穩(wěn)定及測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。在制動時(shí)間、轉(zhuǎn)速、車速以及瞬時(shí)速度等參數(shù)的檢測校準(zhǔn)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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