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《电子技术应用》
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基于FPGA的便携式多路高精度采集系统设计
2019年电子技术应用第9期
王 威1,卢翔宇2,张秋云1,余恒松3
1.西南科技大学 信息工程学院,四川 绵阳621000; 2.中国空气动力研究与发展中心 气动噪声控制重点实验室,四川 绵阳621000; 3.西南科技大学 国防科技学院,四川 绵阳621000
摘要: 为满足对旋翼桨叶表面多测点灵敏气压传感器信号的高速、并行、高精度数据采集,同时具备程控增益放大、抗混叠滤波等功能,设计了一种以FPGA作为核心控制单元的便携式多路高精度前置采集系统。待测信号先由信号调理和滤波模块处理,以提升信号质量,然后经过ADC采样模块采集,最后通过SPI总线将采集数据实时传送至主控板卡分析处理,实现多路信号同步高精度采集。测试结果表明,该系统性能稳定,在干扰较大的环境下,小信号采集幅度精度达0.1%,无杂散动态范围达60 dBc。系统采用便携化设计,体积小,成本低,扩展性强,具有很好的应用价值。
中图分类号: TN911.71;TP274+.2
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190601
中文引用格式: 王威,卢翔宇,张秋云,等. 基于FPGA的便携式多路高精度采集系统设计[J].电子技术应用,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

    随着电子信息技术的飞速发展,数据采集系统愈来愈广泛地应用于工业控制、测量、通信和军事等领域[1-2]。怎样在体积受限、能耗受限、干扰大的环境中设计一个拥有多通道、高精度、海量数据采集能力的系统,仍具有一定的研究价值[3-5]。本文以采集旋翼桨叶表面贴装的多路灵敏气压传感器信号为背景,应用场景简化示意如图1所示。若将传感器信号直接引到下端采集,因线长损耗和滑环的影响,信号质量受损严重,为此提出了一种在旋翼中轴顶端设计一个前置采集装置,工作时和桨叶一起旋转,将待测信号直接在前端进行调理和采集的系统。因此要求该系统的体积小、重量低、散热好、便于携带与安装、结构稳固,并能在高速旋转环境中,完成对多路待测信号的高精度采集。常见的高精度采集设备体积大、价格昂贵且结构复杂不便携[6-7]线上彩票开户,难以应用于上述环境。

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    FPGA等逻辑可编程器件在数据采集领域中具有重要地位,与单片机、DSP和ASIC芯片相比,FPGA具有开发周期短、风险小、升级空间大、可并发执行和灵活可重构等优势[8]。针对上述问题,本文以FPGA作为核心控制单元,设计了一种便携式多路高精度采集系统,包含两级程控放大、可选低通滤波、多路AD采集、实时数据传输等功能,为采集领域中对体积、能耗、采集精度、抗干扰能力要求高的应用场景提供了一种低成本、易实现的解决方案。

1 系统总体设计

    本系统总体设计框图如图2所示,以FPGA为核心控制单元,包含电源管理模块、信号处理模块、滤波选通模块和ADC采集模块。FPGA核心控制模块不仅完成对前端各个模块的协调运行与逻辑控制,还采用SPI总线协议与主控板卡通信,实现命令交互和多路采集数据的实时上传。

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    系统工作时处于高速旋转状态,并通过滑环供电,提供稳定的供电网络是本系统的设计重点[9]。鉴于待测信号微弱、灵敏且应用环境干扰大,设计信号调理模块和滤波选通模块,以提高待测信号的信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)、无杂散动态范围(Spurious-free Dynamic Range,SFDR)、共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio,CMRR)等性能指标,是实现高精度采集的关键[10]。通过ADC采集模块实现多路并行采样,由FPGA控制模块通过SPI总线实时上传采集数据,交由主控板卡实现对多个采集卡系统的控制与数据存储,并组合数据发送至PC端。最后通过上位机对数据进行分析、处理和显示。

2 系统硬件方案设计

2.1 电源管理模块

线上彩票开户     为实现稳定的供电网络,电源管理模块设计中,数字电源选用高效率DC/DC电源芯片,模拟电源选用TI高精度低噪声LDO TPS7A4700和TPS7A3301等芯片,外部采用±15 V/10 A稳压电源提供电能,为系统提供了±12 V、±5 V、3.3 V和1.2 V的稳定工作电压。同时为保证电源质量,电路设计中将电源所有器件放置于PCB版同一层,走线尽可能短,使用低ESR(Equivalent Series Resistance),高品质的电感电容元件。其中,为FPGA提供电源的TPS75003芯片电路如图3所示。

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2.2 信号调理模块

    气压传感器信号灵敏且微弱,为提升信号的采集精度和抗干扰能力,设计选用高精度程控仪用放大器AD8250和AD8253,构成两级放大,提供多种组合的增益放大倍数(1×1~10×100倍),实现抑制噪声、提高信噪比、降低传输损耗的功能。该放大器的主要特性如表1所示。

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    经过测试分析,AD8250抑噪能力更强,适合做前级放大;AD8253增益范围广,作为二级放大,性能最优。因此本系统单路信号程控增益放大电路设计如图4所示,放大器级联,并给出A0、A1和WR端口连接FPGA,实现增益的程控配置。

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2.3 滤波选通模块

    为提高信号的采样质量,设计二阶有源巴特沃斯低通滤波器,实现对高频噪声的滤除。选用TI高性能OPA2227运算放大器,其温度漂移为±0.1 μV/℃,开环增益为134 dB,共模抑制比为140 dB,结合高精度7.5 kΩ、133 kΩ电阻和620 pF、62 pF电容,实现截止频率为25 kHz的低通滤波器,电路设计如图5所示。为实现滤波可选的功能,采用ADG1634BCPZ选通芯片,并通过FPGA的控制实现通道选择。

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2.4 ADC采集模块

    为实现高速、多路并行、高精度信号采集,设计中选用Linear公司推出的逐次逼近型A/D芯片LTC2358-18,该芯片是一款18位、低噪声、8通道同步采样的ADC,数据吞吐率达200 KS/s/通道,提供CMOS和LVDS两种接口。为保证AD转换精度,设计中选用2 ppm/℃、±0.025%高性能芯片LTC6655提供转换参考。同时,电路设计全部采用X7R高品质电容,并将AD芯片的供电与数字层供电隔离。ADC采集电路设计如图6所示。

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2.5 FPGA控制模块

    为减小体积和能耗,选择基于Xilinx公司Spartan-3AN系列的XC3S400AN-4FTG256I这款FPGA芯片,其内置Flash,自带上电加载配置功能,无需外部存储电路,且价格低,芯片尺寸17 mm×17 mm,具有较丰富的内部逻辑资源,满足本系统设计需求。为进一步缩减体积空间,硬件电路设计将FPGA单独布板,将其余模块设计到同样大小的另一块印制板中,并通过对插的形式连接整个采集系统,减小布线难度,增大散热面积。

3 系统FPGA程序设计与实现

    FPGA程序设计采用集成开发套件ISE14.7和硬件描述语言(Verilog HDL)实现,利用在线逻辑分析软件ChipScope验证逻辑设计的正确性。FPGA控制模块顶层设计包括时钟管理、命令配置、AD采集控制和数据传输控制子模块。以下简要介绍AD采集控制和数据传输控制子模块的程序设计与实现。

3.1 AD采集控制

    设计采样频率为200 kHz,进行高速采样,此时8通道同步采集速度达到28.8 Mb/s(8×18 bit×200 kHz/s),为了方便与FPGA进行通信,选择COMS接口,其时序如图7所示。在CMOS接口模式中,串行数据总线由串行时钟输入(SCKI)、串行数据输入(SDI)、串行时钟输出(SCKO)和8个串行数据输出(SDO0~SDO7)。FPGA与LTC2358在每个规定好的数据事务处理窗口期内进行数据交互。

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线上彩票开户     使用ChipScope对实际的采样时序波形进行捕获,得到信号抓取结果如图8所示。FPGA拉高CONVST信号以启动采集转换,通过检测BUSY信号下降沿判断转换是否完成,在SDO端口获取8个通道的采集数据。每个通道的数据采集量为3 B(即24 bit:高6 bit为自定义配置信息,低18 bit为AD采样值),为减少ChipScope占用过多资源,图中只显示了通道4的采集数据,其值为“0x8D86FFh”,对应AD采样值为“0x186FFh”,通过ADC传递函数计算得实际电压值为+3.818 321 V,验证了AD采集控制的正确性。

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3.2 数据传输控制

线上彩票开户     系统每采集完一次,需及时将采集数据上传至主控板卡。主控板卡完成命令下发与采集数据的接收、存储,并组合多个采集系统的数据回传至上位机。本系统与主控板卡之间的SPI总线通信信号说明如表2所示。

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    使用ChipScope捕获系统传输采集数据时序波形如图9所示,由图结果可知,在采样间隔(CONVST上升沿间隔)期间,系统通过SPI总线MISO[3:0]实时地将采集数据传输至主控板卡。

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4 系统测试及数据分析

    为测试系统的各项指标,使用FLUKE公司的多功能校准仪5522A作为高精度参考信号源,其交流电压测量范围(10 mV~33 V)/(10 Hz~500 kHz),最大允许误差±(1.7×10-4~1.3×10-2线上彩票开户)。上位机软件基于LabVIEW开发,按照标准指标测规范,实现对采集数据的性能分析,软件测试界面如图10所示。

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    为分析系统在整个采集区间(-5 V~5 V)的性能,以正弦信号为测试对象,设置4个挡位(其交流信号有效值VRMS=3 182 mV、63.64 mV、31.82 mV、15.91 mV)和5个频率挡位(f=50 Hz、1 kHz、10 kHz、15 kHz、20 kHz),并通过上位机命令配置相应的增益(依次对应G=1、50、100、200倍)进行放大,使进入AD芯片的电压值接近最大采样量程,提高采样转换率。

    采集系统在静态时不同增益下的指标对比曲线如图11所示,其中图11(a)~(c)依次表示幅度精度GA、无杂散动态范围SFDR、共模抑制比CMRR与信号频率f、增益倍数G之间的关系。从图中可知,该系统对20 kHz范围内的交流信号均能达到很高的性能指标,在增益G=200、VRMS=15.91 mV时,各项指标达到最低水平,且总体指标满足:GA≤0.09%、SFDR≥72 dBc、CMRR≥90 dB。

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    结合实际工作环境,将采集系统和滑环一起旋转(转速1 024 r/m)进行测试,图12给出了最大增益(G=200,VRMS=15.91 mV)下的GA和SFDR测试结果。由图结果可知,采用滑环供电时,各项测试指标均有所降低;且滑环旋转时会进一步影响指标,但指标下降较小,说明本系统设计具备一定的抗干扰能力;系统在高速旋转状态下仍具有GA≤0.1%、SFDR≥60 dBc的良好性能指标。

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5 结论

    本文设计并实现了一种便携式多路高精度数据采集系统,该系统具备程控增益放大、低通滤波等功能,能对多路交直流信号进行高速并行采集。在高速旋转等干扰较大的环境中,仍具有幅度精度高于0.1%、SFDR大于60 dBc等良好的性能指标。采用便携化设计,系统体积空间小、便于携带和安装,基于FPGA的模块化设计,可扩展性强,性能稳定,易于维护,具有很好的应用价值。

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

线上彩票开户[4] 张根苗,李斌,王群,等.基于FPGA的高精度数字程控直流变换器设计[J].电子技术应用,2017,43(11):139-142,146.

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[8] 杨海钢,孙嘉斌,王慰.FPGA器件设计技术发展综述[J].电子与信息学报,2010,32(3):714-727.

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[10] 谢桂辉,郑旭初,赵天明,等.基于FPGA的便携式正交锁相放大器研制[J].电子技术应用,2018,44(10):84-88,93.



作者信息:

王  威1,卢翔宇2,张秋云1,余恒松3

(1.西南科技大学 信息工程学院,四川 绵阳621000;

2.中国空气动力研究与发展中心 气动噪声控制重点实验室,四川 绵阳621000;

3.西南科技大学 国防科技学院,四川 绵阳621000)

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