張永杰，馬 林，董浩森，康良偉，邊瑞卿，李 凱

(1.中北大學(xué) 信息探測(cè)與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200)

0 引言

轉(zhuǎn)速測(cè)量在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域具有重要意義，比如在車輛生產(chǎn)和維護(hù)中轉(zhuǎn)速是重要的測(cè)量以及控制對(duì)象[1]，機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備常常需要顯示轉(zhuǎn)速以反映設(shè)備工作狀態(tài)[2-3]，火炮發(fā)射的彈丸也需要測(cè)量飛行過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以分析其穩(wěn)定性[4]。

目前對(duì)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速測(cè)量方法主要分為外測(cè)法、內(nèi)測(cè)法兩種。外測(cè)法為非接觸式測(cè)量，通過光學(xué)方法或者雷達(dá)分析物體轉(zhuǎn)速；內(nèi)測(cè)法是將傳感器安裝于被測(cè)物中，對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行解算得到測(cè)量物的轉(zhuǎn)速信息[5]?，F(xiàn)有應(yīng)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量的傳感器有磁傳感器、加速度傳感器、霍爾傳感器、光電傳感器、陀螺儀等。

線圈式地磁傳感器利用其隨被測(cè)物運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)信號(hào)測(cè)量轉(zhuǎn)速，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、無累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)[6]。目前，已經(jīng)有許多學(xué)者將地磁傳感器應(yīng)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量，文獻(xiàn)[7]提出了三軸正交線圈磁感應(yīng)傳感器，以線圈在地磁場(chǎng)中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反饋信號(hào)為基礎(chǔ)測(cè)量物體旋轉(zhuǎn)時(shí)的角速率，測(cè)量范圍為1～100 rps，誤差小于滿量程的1.8‰；文獻(xiàn)[8]提出了一種三軸“彎工型”感應(yīng)線圈傳感器結(jié)構(gòu)，獲取傳感器隨彈丸運(yùn)動(dòng)切割磁感線時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)，使用自適應(yīng)閉環(huán)頻率跟蹤測(cè)量算法實(shí)時(shí)解算彈丸轉(zhuǎn)速，消除了累計(jì)誤差，滿足高速旋轉(zhuǎn)彈丸轉(zhuǎn)速測(cè)量要求；文獻(xiàn)[9]使用薄膜線圈式地磁傳感器測(cè)量彈丸轉(zhuǎn)速，對(duì)傳感器采集信號(hào)做希爾伯特變換獲取包絡(luò)曲線分析得到彈丸章動(dòng)周期。

由于線圈傳感器被測(cè)物轉(zhuǎn)速變化范圍大以及受環(huán)境磁場(chǎng)變化影響，導(dǎo)致傳感器輸出電信號(hào)幅值跨度較大，短時(shí)間內(nèi)會(huì)從微弱信號(hào)變化為大電壓信號(hào)[10]，對(duì)采集系統(tǒng)的可采集信號(hào)范圍提出了挑戰(zhàn)，要求對(duì)大信號(hào)能夠無失真采集的同時(shí)微弱信號(hào)的細(xì)節(jié)信號(hào)也可以保留?？刹杉盘?hào)電壓范圍是衡量信號(hào)采集系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)[11]，當(dāng)輸入傳感器信號(hào)超出采集范圍時(shí)，將導(dǎo)致探測(cè)目標(biāo)的關(guān)鍵信息無法被采集[12]。直接使用ADC對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，由于信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，對(duì)ADC的量程、分辨率要求極高，可能會(huì)造成微弱信號(hào)部分信息丟失。將信號(hào)放大后再用ADC進(jìn)行采集，可以降低對(duì)分辨率的要求[13]，但隨著傳感器信號(hào)幅值繼續(xù)增大，運(yùn)算放大器輸出放大信號(hào)會(huì)被削波或者超出ADC采集范圍[14]，需要設(shè)計(jì)一種能夠隨著輸入電壓值變化動(dòng)態(tài)改變?cè)鲆娴牟杉娐穂15]。

針對(duì)高動(dòng)態(tài)幅值變化信號(hào)的采集現(xiàn)有方式主要包括自動(dòng)增益控制(AGC)電路[16]和程控放大電路[17-18]。AGC電路通過檢測(cè)被測(cè)信號(hào)強(qiáng)弱產(chǎn)生電壓反饋信號(hào)控制可變?cè)鲆娣糯笃髟鲆嫘纬砷]環(huán)控制系統(tǒng)，使輸出信號(hào)幅值保持穩(wěn)定[19-20]，但是損失了信號(hào)原本的幅值特性，且輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較小[21]。程控放大技術(shù)通過切換增益，將放大后信號(hào)控制在合適幅度。文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì)了一種微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，信號(hào)通過級(jí)聯(lián)程控放大器并濾波后輸入鎖相放大器，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)納伏級(jí)信號(hào)的采集；文獻(xiàn)[23]設(shè)計(jì)了一種程控中頻放大電路，使用FPGA控制模擬開關(guān)改變運(yùn)算放大器反饋電阻實(shí)現(xiàn)放大器增益倍數(shù)改變，線性度與精確度良好。文獻(xiàn)[24]FPGA根據(jù)按鍵輸入控制數(shù)字電位器MCP41010數(shù)字量改變，從而控制壓控放大芯片AD603的增益倍數(shù)改變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓峰峰值為50 mV～10 V輸入信號(hào)的有效采集；文獻(xiàn)[25]針對(duì)傳統(tǒng)放大電路手動(dòng)調(diào)節(jié)方式的缺點(diǎn)，提出四級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路其中有三級(jí)放大電路為固定20 dB增益電路并起到減少信號(hào)輸入噪聲引入和提高抗干擾能力，第3級(jí)放大電路采用兩篇HMC960級(jí)聯(lián)構(gòu)成，使用單片機(jī)控制HMC960實(shí)現(xiàn)0～40 dB程控放大，總體實(shí)現(xiàn)20～60 dB程控?zé)o失真放大。

本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)高動(dòng)態(tài)幅值范圍轉(zhuǎn)速信號(hào)的信號(hào)采集系統(tǒng)，通過FPGA對(duì)高速ADC采集信號(hào)進(jìn)行幅值分析，并控制前處理模塊對(duì)幅值過高信號(hào)進(jìn)行衰減，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)和高幅值信號(hào)自適應(yīng)增益調(diào)節(jié)，無需依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)增益，處理后的信號(hào)幅值控制在設(shè)定范圍內(nèi)，并在FPGA片上實(shí)現(xiàn)對(duì)增益信號(hào)的還原運(yùn)算，將數(shù)據(jù)保存后通過網(wǎng)口傳輸至上位機(jī)，可以滿足頻率在0～10 kHz和幅值在10 μV～16 V范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集需求。

1 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

線圈隨旋轉(zhuǎn)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，在磁場(chǎng)中做周期運(yùn)動(dòng)，線圈通過磁通量隨線圈轉(zhuǎn)動(dòng)循環(huán)變化，根據(jù)電磁感應(yīng)定理，線圈將產(chǎn)生周期動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。如圖1所示，由于線圈軸線與周圍空間磁場(chǎng)方向存在夾角，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式為：

(1)

圖1 線圈空間磁場(chǎng)示意圖

式(1)中，N為線圈匝數(shù)，μ為線圈轉(zhuǎn)軸的磁導(dǎo)率，H為線圈所處位置空間磁場(chǎng)強(qiáng)度，S為線圈截面面積，ε為線圈軸線與周圍空間磁場(chǎng)矢量方向的夾角。由公式(1)可以看出線圈動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)信號(hào)波形為正弦波，線圈轉(zhuǎn)速與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)信號(hào)頻率一致，信號(hào)幅值與轉(zhuǎn)動(dòng)速度和環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。

本設(shè)計(jì)針對(duì)線圈在不同轉(zhuǎn)速和環(huán)境下產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)幅值范圍變化大，使用單一放大倍數(shù)難以采集在不同狀態(tài)下完整動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的自適應(yīng)增益采集系統(tǒng)，可對(duì)頻率在10 kHz以下幅值在10 μV～16 V范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)正弦波信號(hào)實(shí)現(xiàn)無失真采集。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2展示了自適應(yīng)增益采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，由信號(hào)前處理模塊、自適應(yīng)增益模塊和FPGA信號(hào)處理單元三部分組成。本系統(tǒng)可以對(duì)帶寬在0～10 kHz之間，幅值在10 μV～16 V范圍內(nèi)波動(dòng)的動(dòng)態(tài)信號(hào)實(shí)現(xiàn)-20～80 dB自適應(yīng)增益，自適應(yīng)增益后信號(hào)幅值控制在AL～AH伏之間，并同時(shí)將增益后信號(hào)去增益還原得到實(shí)際傳感器信號(hào)，增益信號(hào)和還原信號(hào)存儲(chǔ)在NAND Flash中。增益信號(hào)利于對(duì)高動(dòng)態(tài)信號(hào)中不同幅值區(qū)間信號(hào)變化細(xì)節(jié)直接觀察，還原信號(hào)用來觀察信號(hào)總體變化趨勢(shì)和波動(dòng)幅度。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 信號(hào)前處理模塊

信號(hào)前處理模塊由信號(hào)幅值檢測(cè)電路和衰減電路構(gòu)成，作用為將采集系統(tǒng)的輸入信號(hào)幅值上限由4 V擴(kuò)展至16 V。本模塊對(duì)輸入信號(hào)幅值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)信號(hào)幅值超過4 V，F(xiàn)PGA控制模擬電子開關(guān)使輸入信號(hào)流經(jīng)衰減電路后進(jìn)入自適應(yīng)增益模塊。

信號(hào)幅值檢測(cè)電路由兩個(gè)高速電壓比較器構(gòu)成，將輸入信號(hào)電壓與±4 V進(jìn)行比較，將電壓比較器的比較結(jié)果電平通過場(chǎng)效應(yīng)管反相輸出將電平限制在0 V和3.3 V以適應(yīng)FPGA輸入要求，F(xiàn)PGA對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管輸出信號(hào)電平進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷輸入信號(hào)電壓值的絕對(duì)值是否大于4 V；信號(hào)衰減電路由二選一模擬開關(guān)ADG419和高精度電阻分壓電路構(gòu)成，若輸入信號(hào)幅值高于4 V則對(duì)其進(jìn)行10倍衰減。當(dāng)輸入信號(hào)微弱時(shí)，為防止引入干擾，信號(hào)可直接進(jìn)入自適應(yīng)增益模塊。

2.2 自適應(yīng)增益模塊

FPGA使用ADC芯片對(duì)自適應(yīng)增益模塊放大后的輸出信號(hào)進(jìn)行采集，要求自適應(yīng)增益模塊輸出信號(hào)在ADC電壓量程內(nèi)盡可能大，以充分利用ADC的量程范圍提高信號(hào)采集精度。本系統(tǒng)輸入信號(hào)為幅值、頻率變化的信號(hào)，F(xiàn)PGA根據(jù)采樣放大信號(hào)電壓值控制放大倍數(shù)的切換使本模塊輸出信號(hào)幅值控制在AL～AH伏之間。

自適應(yīng)增益模塊由兩級(jí)可變?cè)鲆骐娐芳?jí)聯(lián)構(gòu)成，每級(jí)可變?cè)鲆骐娐酚赡M開關(guān)和不同增益的放大電路組成，切換模擬開關(guān)選通端通道實(shí)現(xiàn)改變放大倍數(shù)，模擬電子開關(guān)選用ADG409，ADG409為雙四選一模擬電子開關(guān)具有低的導(dǎo)通電阻，通道切換時(shí)間僅為120納秒。本設(shè)計(jì)輸入周期信號(hào)頻率上限為10 kHz，模擬開關(guān)通道切換時(shí)間小于1 μS，本系統(tǒng)采樣率為100 kSPS，滿足本設(shè)計(jì)采樣需求。由于模擬開關(guān)切換通道先斷開后閉合的特性，本模塊采用切換不同運(yùn)放電路改變?cè)鲆?，相比于改變運(yùn)放電路反饋電阻改變?cè)鲆?，避免了使運(yùn)算放大器處于開環(huán)狀態(tài)增益過高導(dǎo)致電路損壞。

本設(shè)計(jì)AH與AL取值及比例關(guān)系可由公式(2)計(jì)算得出。式(2)中Vin代表自適應(yīng)增益模塊的輸入信號(hào)幅值，Vout代表經(jīng)自適應(yīng)增益控制后自適應(yīng)增益模塊的輸出信號(hào)幅值，AH代表自適應(yīng)增益模塊輸出信號(hào)幅值上限閾值，AL代表自適應(yīng)增益模塊輸出信號(hào)幅值下限閾值，使10 μV～4 V范圍內(nèi)變化幅值的輸入信號(hào)經(jīng)自適應(yīng)增益后控制在AL～AH伏范圍內(nèi)，α為AH與AL的比值。通過公式(2)計(jì)算可知取值范圍為α≥10，即AH至少為AL的10倍以上。

(2)

由于AH取值受可變?cè)鲆骐娐返碾娫措妷? V限制，為防止放大信號(hào)削頂失真，設(shè)置AH為4，AL為4/α。當(dāng)α取值接近10時(shí)，信號(hào)幅值在AL或AH附近波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致增益循環(huán)跳變，提高α取值可以為系統(tǒng)引入滯回特性，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.3 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集電路是整個(gè)設(shè)計(jì)中不可或缺的要素，采集精度直接影響到系統(tǒng)性能，本系統(tǒng)選用16位分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8681，自適應(yīng)增益模塊供電電壓為±5 V，ADC電壓采集范圍設(shè)置為-5.12～+5.12 V，可完美實(shí)現(xiàn)放大信號(hào)的采集；ADC設(shè)置采樣速率為100 kSPS，設(shè)定輸入信號(hào)頻率上限為10 kHz，滿足奈奎斯特采樣定理。

本系統(tǒng)使用NAND Flash芯片對(duì)采集系統(tǒng)處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，型號(hào)為鎂光公司生產(chǎn)的MT29F64G08CBAA，存儲(chǔ)容量為64 Gb，滿足采集系統(tǒng)大容量存儲(chǔ)需求，并且系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)不丟失，以便后期將數(shù)據(jù)讀取到上位機(jī)中。

3 片上程序設(shè)計(jì)

3.1 總體介紹

本系統(tǒng)信號(hào)處理單元為FPGA，使用Verilog HDL語言進(jìn)行程序編寫，信號(hào)處理單元中包括中值濾波、幅值監(jiān)測(cè)、增益控制、信號(hào)還原、信號(hào)存儲(chǔ)、ADC控制模塊，系統(tǒng)總體工作信號(hào)處理流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體工作流程圖

系統(tǒng)上電初始化，系統(tǒng)初始增益初始設(shè)置為0 dB，等待ADS8681和Nand Flash驅(qū)動(dòng)完成。初始化完成后，ADC對(duì)自適應(yīng)增益電路輸出模擬信號(hào)進(jìn)行采集，ADC完成單次采樣輸出的16位數(shù)字信號(hào)更新時(shí)，ADC控制模塊輸出有效標(biāo)志信號(hào)作為后續(xù)模塊輸入信號(hào)有效的使能信號(hào)，利用FPGA高速并行信號(hào)處理能力，在ADC兩次采樣間隔時(shí)間內(nèi)對(duì)完成數(shù)字信號(hào)的分析處理。

中值濾波模塊對(duì)ADC轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波，幅值監(jiān)測(cè)模塊分析濾波后數(shù)字信號(hào)，判斷增益后信號(hào)的幅值水平，增益控制模塊控制模擬電子開關(guān)5位組合控制信號(hào)改變?cè)鲆?，根?jù)幅值分析結(jié)果調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益。在幅值監(jiān)測(cè)的同時(shí)，信號(hào)還原模塊根據(jù)當(dāng)前增益，對(duì)輸出數(shù)字信號(hào)還原運(yùn)算，進(jìn)行加減法、乘法和移位運(yùn)算得到信號(hào)放大前的實(shí)際大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)未放大輸入信號(hào)的獲取，并將采集到的放大信號(hào)值和還原后的數(shù)值在FIFO單元緩存后寫入NAND Flash中。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，通過網(wǎng)口將NAND Flash中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)讀取到PC上位機(jī)。

3.2 自適應(yīng)增益程控設(shè)計(jì)

幅值監(jiān)測(cè)和增益控制模塊實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的自適應(yīng)增益控制，對(duì)接受到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)揮FPGA并行處理優(yōu)勢(shì)，同時(shí)控制信號(hào)前處理模塊和自適應(yīng)增益模塊的增益變化。

信號(hào)前處理模塊增益控制處理流程如圖4(a)所示，F(xiàn)PGA對(duì)信號(hào)前處理模塊場(chǎng)效應(yīng)管的輸出電平M進(jìn)行監(jiān)測(cè)，M高電平時(shí)表示此刻輸入傳感器信號(hào)電壓值的絕對(duì)值高于4 V，反之則表示此刻輸入傳感器信號(hào)電壓值的絕對(duì)值低于4 V。FPGA檢測(cè)到M出現(xiàn)高電平，則代表識(shí)別到此刻輸入信號(hào)幅值高于4 V，立即控制前處理模塊對(duì)輸入信號(hào)-20 dB衰減；由于輸入信號(hào)為類正弦波信號(hào)，在信號(hào)幅值大于4 V狀態(tài)下，信號(hào)周期中某些時(shí)刻仍然存在電壓值的絕對(duì)值小于4 V的情況，為準(zhǔn)確識(shí)別輸入信號(hào)幅值小于4 V的狀態(tài)，需要引入計(jì)數(shù)器單元，通過時(shí)鐘計(jì)數(shù)判斷輸入信號(hào)幅值持續(xù)小于4 V的時(shí)間，若M為低電平持續(xù)時(shí)間大于δ秒，則判定輸入信號(hào)幅值小于4 V，控制前處理模塊切換至無衰減狀態(tài)或保持在無衰減狀態(tài)。

圖4 自適應(yīng)增益控制流程圖

自適應(yīng)增益模塊的增益控制處理流程如圖4(b)所示，F(xiàn)PGA幅值監(jiān)測(cè)模塊對(duì)中值濾波后數(shù)字信號(hào)等效電壓值進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后幅值的判斷，增益控制模塊根據(jù)幅值檢測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)增益，使自適應(yīng)增益電路輸出信號(hào)幅值保持在AL～AH伏范圍內(nèi)。具體實(shí)現(xiàn)流程如下，幅值監(jiān)測(cè)模塊將中值濾波后數(shù)字信號(hào)等效電壓值分別與±AH和±AL進(jìn)行比較，識(shí)別信號(hào)狀態(tài)。當(dāng)數(shù)字信號(hào)等效電壓值大于AH或小于-AH，識(shí)別到當(dāng)前增益過高，控制電路增益降低20 dB；對(duì)增益過低狀態(tài)的識(shí)別同樣需要引入計(jì)數(shù)器單元，當(dāng)數(shù)字信號(hào)等效電壓值大于-AL且小于AL的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)超過δ秒，識(shí)別到當(dāng)前增益過低，控制電路增益增加20 dB。

3.3 自適應(yīng)增益模塊參數(shù)調(diào)節(jié)

δ為本系統(tǒng)增益過低時(shí)增益提高的響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于非周期信號(hào)，δ取值可以很小；對(duì)于周期信號(hào)，為從放大信號(hào)中觀察信號(hào)特征，信號(hào)幅值穩(wěn)定時(shí)增益也應(yīng)該處于穩(wěn)定狀態(tài)，δ取值應(yīng)大于周期時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)δ取值過小會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)增益循環(huán)改變，信號(hào)波形如圖5(a)所示情況，當(dāng)δ取值大于信號(hào)周期，信號(hào)波形如圖5(b)所示，放大信號(hào)保持了原本的信號(hào)特征。

圖5 增益振蕩信號(hào)波形

(3)

但是δ過大會(huì)導(dǎo)致信號(hào)幅度突然減小時(shí)，增益提高響應(yīng)速度慢，影響采集精度。當(dāng)已知輸入信號(hào)特征時(shí)，δ取值可以進(jìn)一步降低，比如輸入信號(hào)為頻率大于f且幅值穩(wěn)定的正弦波信號(hào)，δ取值大于t即可避免系統(tǒng)增益循環(huán)跳變，t通過公式(3)計(jì)算得到，相比于1/f有效減小。取α為40時(shí)，圖5所示信號(hào)的最小δ值通過公式(3)計(jì)算為0.42秒，遠(yuǎn)小于信號(hào)周期值5秒。

3.4 中值濾波模塊設(shè)計(jì)

由于對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、傳輸過程中會(huì)引入噪聲，使用FPGA片上中值濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理可以有效將異常數(shù)據(jù)濾除，提高信號(hào)的信噪比。中值濾波模塊對(duì)ADC本次采樣和前8次采樣的數(shù)字信號(hào)值進(jìn)行緩存，使用快速中值算法模塊對(duì)這9個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，獲取其中中位數(shù)值作為本次的輸出結(jié)果，從輸入數(shù)據(jù)有效到完成中值濾波僅需4個(gè)時(shí)鐘即可完成，滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的需求。

中值濾波模塊RTL視圖如圖6所示，當(dāng)en使能信號(hào)有效表示ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)完成，此時(shí)將輸入信號(hào)data_in存入cache模塊；out_en信號(hào)有效代表中值濾波模塊本次濾波完成，后續(xù)模塊在out_en有效時(shí)對(duì)濾波處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行讀??；valid信號(hào)有效代表cache模塊是否完成緩存9個(gè)有效數(shù)據(jù)，緩存完成9個(gè)有效數(shù)據(jù)之前，中值模塊輸出結(jié)果直接為輸入信號(hào)，在完成9個(gè)有效數(shù)據(jù)緩存后輸出數(shù)據(jù)為中值濾波后的結(jié)果。

圖6 中值濾波RTL視圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)裝置介紹

轉(zhuǎn)速信號(hào)采集試驗(yàn)裝置如圖7所示，伺服電機(jī)可設(shè)置轉(zhuǎn)速范圍為0～6.7 rps，高速轉(zhuǎn)臺(tái)可設(shè)置轉(zhuǎn)速范圍為5～100 rps，將傳感器安裝于采集系統(tǒng)，分別使用伺服電機(jī)和高速轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)，使用本系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集。為兼顧低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速的傳感器信號(hào)采集，本系統(tǒng)AL設(shè)置為0.1伏，δ設(shè)置為0.1秒。

圖7 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集試驗(yàn)圖

將自適應(yīng)增益采集電路輸入端短接，零輸入狀態(tài)下采集系統(tǒng)噪聲如圖8所示，系統(tǒng)零輸入電壓噪聲幅值小于7 μV。

4.2 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集

手動(dòng)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速從1 rps開始逐漸增大至6.67 rps然后再逐漸減小至1 rps，采集到自適應(yīng)放大信號(hào)如圖9(a)所示，還原實(shí)際大小轉(zhuǎn)速信號(hào)如圖9(b)所示。感應(yīng)信號(hào)頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率同步，幅值與轉(zhuǎn)速成正比，解算傳感器時(shí)間轉(zhuǎn)速曲線如圖9(c)所示，與設(shè)定實(shí)際轉(zhuǎn)速一致。

圖9 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)

伺服電機(jī)初始轉(zhuǎn)速為1 rps，此時(shí)放大采集信號(hào)幅值為1.9 V，當(dāng)前增益為80 dB；隨著轉(zhuǎn)速的提高，在第11.34秒時(shí)放大采集信號(hào)幅值首次超過4伏，此時(shí)增益由80 dB自動(dòng)降至60 dB，增益變化時(shí)刻還原解算信號(hào)波形未發(fā)生失真；在后續(xù)時(shí)間采集的放大信號(hào)，由于信號(hào)幅值保持在0.1～4 V范圍內(nèi)，增益未發(fā)生改變。

使用本系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)1/6 rps時(shí)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，圖10(a)為的采集信號(hào)，信號(hào)幅值為44 μV，周期為6秒，與設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)周期一致。對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，濾波結(jié)果如圖10(b)所示，由于伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不連續(xù)平穩(wěn)，采集信號(hào)中具有10 Hz諧波，使得采集信號(hào)波形不平滑。

圖10 伺服電機(jī)1/6 rps轉(zhuǎn)速信號(hào)

4.3 高速轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集

設(shè)置高速轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速分別為5、10、15、30、50、60 rps對(duì)線圈動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，頻譜分析結(jié)果集中頻率與設(shè)置轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速相一致，波形如圖11所示。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下信號(hào)波形與頻譜分析

控制高速轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速0-10-30-50-30-10-0 rps變化，采集放大信號(hào)如圖12(a)所示。系統(tǒng)增益隨著輸入信號(hào)幅度水平改變，增益變化波形如圖12(b)所示，圖12(a)箭頭所指局部信號(hào)放大圖顯示了增益變化時(shí)刻的信號(hào)波形細(xì)節(jié)。轉(zhuǎn)臺(tái)靜止時(shí)，采集傳感器信號(hào)噪聲幅值為20 μV，此時(shí)系統(tǒng)增益為80 dB；當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)速度由0～10 rps轉(zhuǎn)速提升過程中放大信號(hào)電壓值小于-4 V時(shí)，增益由80 dB降至60 dB；在10～30 rps轉(zhuǎn)速提升過程中放大信號(hào)幅值再次超過4 V，增益由60 dB降至40 dB；從第39.1秒開始信號(hào)幅值持續(xù)小于0.1 V，第39.2秒增益由40 dB提高至60 dB；增益提高后第41.3秒信號(hào)幅值再次持續(xù)小于0.1 V，第41.4秒增益由60 dB提高至80 dB。

還原傳感器信號(hào)如圖12(c)所示，測(cè)得轉(zhuǎn)速信號(hào)幅值范圍為20～10 600 μV。對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行頻域分析，分析結(jié)果如圖12(d)所示，信號(hào)頻率集中在10、30、50 Hz。根據(jù)傳感器信號(hào)時(shí)間頻率特性解算時(shí)間轉(zhuǎn)速曲線如圖12(e)所示，前38秒轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速相同，但是38秒后高速轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速失控，轉(zhuǎn)速未能穩(wěn)定在10 rps，在第42秒時(shí)高速轉(zhuǎn)臺(tái)停止旋轉(zhuǎn)，分析結(jié)果與實(shí)際轉(zhuǎn)速一致。

控制伺服電機(jī)和高速轉(zhuǎn)臺(tái)使用本測(cè)速裝置對(duì)不同轉(zhuǎn)速下動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)幅值進(jìn)行測(cè)量并統(tǒng)計(jì)，幅值隨轉(zhuǎn)速變化折線圖如圖13所示，從圖中可以看出在同一設(shè)備上動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)幅值與轉(zhuǎn)速為一次函數(shù)關(guān)系。

圖13 轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)速-幅值折線圖

圖13中箭頭所指局部放大圖，可以發(fā)現(xiàn)伺服電機(jī)和高速轉(zhuǎn)臺(tái)都處于5 rps時(shí)，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)信號(hào)幅值盡管頻率相同但是幅值不同，高速轉(zhuǎn)臺(tái)環(huán)境下信號(hào)幅值為伺服電機(jī)的2.6倍。分別使用磁通門傳感器對(duì)伺服電機(jī)和高速轉(zhuǎn)臺(tái)工作狀態(tài)下測(cè)速裝置位置環(huán)境磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。伺服電機(jī)環(huán)境磁場(chǎng)為56 850 nT，高速轉(zhuǎn)臺(tái)環(huán)境磁場(chǎng)為148 759 nT，相同轉(zhuǎn)速下，環(huán)境磁場(chǎng)大小比值與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)幅值比一致。

4.4 示波器信號(hào)采集

使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為100 Hz的正弦波信號(hào)，以0.05 V為步進(jìn)控制幅值由0.05 V遞增至10 V后，再由10 V遞減至0.05 V，模擬更高轉(zhuǎn)速下傳感器信號(hào)，使用本系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行采集。自適應(yīng)增益后采集信號(hào)如圖14(a)所示，增益變化如圖14(b)所示，圖14(a)箭頭所指局部信號(hào)放大圖顯示了增益變化時(shí)刻的信號(hào)波形，增益變化時(shí)刻信號(hào)未發(fā)生失真。還原信號(hào)波形如圖14(c)所示，與設(shè)置信號(hào)發(fā)生器生成波形一致。

圖14 信號(hào)發(fā)生器信號(hào)測(cè)試

4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本系統(tǒng)分別對(duì)磁轉(zhuǎn)速傳感器在不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的輸出信號(hào)進(jìn)行了采集，將系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)讀出到上位機(jī)后，對(duì)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)繪圖進(jìn)行分析。自適應(yīng)增益后的數(shù)據(jù)繪圖波形表現(xiàn)為在不同時(shí)間區(qū)間增益不同，信號(hào)幅值控制在了0.1～4 V范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了不同幅值區(qū)間傳感器信號(hào)無需對(duì)幅值放大即可觀察波形變化細(xì)節(jié)；去增益還原數(shù)據(jù)繪圖波形變化連續(xù)，從幅值變化趨勢(shì)中可以直觀的看出轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，與原理分析一致。本系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)幅值狀態(tài)的識(shí)別，F(xiàn)PGA根據(jù)識(shí)別結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電路增益，控制ADC輸入電壓幅值在0.1～4 V范圍內(nèi)，并在片上實(shí)現(xiàn)了對(duì)自適應(yīng)增益后的電壓值去除增益，計(jì)算出了除以放大倍數(shù)后實(shí)際輸入傳感器信號(hào)的真實(shí)值大小。

傳感器輸出信號(hào)繪圖波形特征為類正弦波，通過提取數(shù)據(jù)時(shí)頻信息與實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)際設(shè)置轉(zhuǎn)速對(duì)比，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)頻率與傳感器單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)相同；在同一磁場(chǎng)環(huán)境下，轉(zhuǎn)速信號(hào)幅值與轉(zhuǎn)速大小成正比例關(guān)系；不同磁場(chǎng)環(huán)境下，相同轉(zhuǎn)速下傳感器輸出信號(hào)幅值與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比例關(guān)系。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果與原理分析推導(dǎo)結(jié)論一致，驗(yàn)證了磁傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的可行性和正確性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種以FPGA為控制核心的自適應(yīng)增益采集系統(tǒng)，對(duì)高幅值范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行采集。本系統(tǒng)經(jīng)過對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器和信號(hào)發(fā)生器生成動(dòng)態(tài)幅值信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)，幅值在20 μV～10 V范圍內(nèi)波動(dòng)的信號(hào)經(jīng)自適應(yīng)增益采集系統(tǒng)后，放大信號(hào)幅值控制在了0.1～4 V，并根據(jù)采集信號(hào)增益還原得到實(shí)際輸入信號(hào)，還原信號(hào)解算轉(zhuǎn)速信息與實(shí)際設(shè)置輸入一致，驗(yàn)證了采集信號(hào)的正確性，且信號(hào)無明顯失真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高幅值范圍內(nèi)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的采集。