工程爆破的FPGA多路同步數據采集控制器

張晶威

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原030051)

引 言

工程爆破中,藥包爆炸后能量的釋放、傳遞、做功中必然有一部分能量轉化為地震波[1-2]。由地震波而引起的地表物體顛簸搖晃的現象和后果是地震效應,是影響最大的工程爆破危害[1-4]。

目前對地震波的振動測量是監測與評估爆破地震效應的重要途徑。地震波在空間中的方向并不確定,但是矢量在三維空間可以分解,因此測量三維空間的地震波矢量分量是必要的。測量三維的地震波矢量分量需要時間上同步,保證疊加后的矢量和是實際地震波矢量。

在振動觀測點,傳感器信號采集到的多路模擬信號是時間同步的。模擬信號經過量化,在數字信號處理和存儲后,識別的數字信號也需同步以便后期處理。傳統上的方法多為模擬信號經過多路模擬開關,模數轉換器件分時處理[5-7]。事實上,這并沒有實現嚴格意義上的時間同步。

本文介紹了一種利用現場可編程邏輯器件FPGA作為爆破振動數據記錄儀的設計方案,同時結合FPGA的嵌入式處理器內核,構建了邏輯控制與CPU一體的SoC架構。

1 系統方案

本設計方案整體思路是對3路獨立的A/D轉換器分別設置雙時鐘FIFO存儲單元,保持采樣同步一致性。在3路A/D轉換器采樣的同一個模數轉換周期,將FIFO存儲數據順序讀出并順序寫入SDRAM。

FPGA芯片為主控制器,主要包含如下邏輯結構:A/D控制單元、FIFO、嵌入式軟核處理器、存儲觸發控制單元。

本系統使用的是Altera公司的CycloneII系列芯片。3路A/D轉換控制單元分別控制串行A/D轉換器,控制單元共用同一個系統時鐘分頻后的時鐘和系統復位。控制單元還包含A/D轉換器的控制時鐘,數據串/并轉換,FIFO寫時鐘和FIFO的寫使能信號。使用FPGA中的雙時鐘FIFO宏模塊,寫入時鐘由A/D控制模塊驅動,讀時鐘和SDRAM存儲器共同使用系統時鐘。嵌入式NiosII軟核處理器中添加了PIO接口模塊、SDRAM接口、Flash接口。

基于FPGA芯片的系統框架如圖1所示。

圖1 控制器系統框架

2 系統的工作原理與硬件實現

2.1 A/D轉換器與A/D控制單元

A/D控制單元是FPGA中的邏輯功能模塊,3路A/D控制單元由同一時鐘驅動,并共用系統復位,保證工作時序同步。

該系統的目標采樣信號頻率在10～103Hz范圍,采用Burr Brown公司一款串行A/D轉換器ADS1286。該A/D轉換器為12位精度,連續采樣狀態為16個A/D驅動時鐘完成一次采樣—數據輸出。其時序工作圖如圖2所示[8]。

圖2 ADS1286基本工作時序

在A/D轉換器的信號采樣段,即一個采樣過程的前兩個時鐘周期執行對目標信號的采集;在數據轉換段執行12位數據由高位至低位的串行輸出。片選使能信號置高后完成一次數據采集過程,此時處理輸出的數據是完整的一個采樣點數據。

該A/D控制單元包含以下5個模塊:

①通過系統時鐘分頻模塊得到A/D轉換器的驅動時鐘。

②片選使能信號模塊控制連續的數據采樣,經過15個A/D驅動時鐘生成一個片選使能信號的高電平,此高電平占A/D驅動時鐘一個周期,即16個A/D驅動時鐘完成一次采樣。

③串行—并行數據轉換。考慮芯片I/O引腳限制,并且系統的采樣頻率不高,采用串行輸出的A/D轉換器比較合適,但系統內部的數據總線為并行,因此A/D控制模塊需要將串行數據轉換成同總線同位寬的并行格式[9-10]。該模塊工作過程是,首先在FPGA中構建一個12位的存儲空間,在A/D采樣輸出串行數據開始,每個A/D驅動時鐘傳輸至相應的12位存儲空間位置,最低位數據在AD驅動時鐘的上升沿采樣完成,片選使能信號在時鐘的下降沿變化,因此在片選使能信號的上升沿處理的數據是完整的一次采樣數據。

④輸出寫FIFO的時鐘。FIFO具有雙時鐘,其中寫時鐘頻率較低。16個A/D驅動的時鐘周期完成一次完整的數據采樣,因此將A/D驅動時鐘8分頻得到寫FIFO驅動時鐘。

⑤觸發SDRAM存儲信號。該信號同FIFO寫滿信號輸入或門,輸出至NiosII軟核的一個PIO輸入接口,提供一個中斷標志,觸發SDRAM存儲。

結合Modelsim仿真波形和A/D控制單元的波形圖,可知A/D控制單元的控制時序邏輯。另外A/D控制單元的邊沿控制穩定,確保了采集數據可靠。

2.2 NiosⅠ嵌入式處理器的數據輸入

同步采集的3路信號在FIFO中存儲,FIFO完成了數據的緩沖,然后將FIFO中的數據順序轉移至外部存儲器。

FIFO存儲數據向SDRAM轉移的由一個PIO中斷觸發,該中斷標志由A/D控制單元設定FIFO存儲數據量,計數器記滿后產生一個出發標志,計數器參數可調。另外FIFO深度是有限的,存滿后產生FIFO滿信號,將二信號輸入或門,輸出為SDRAM的存儲觸發標志。一路FIFO讀空以后,下一路FIFO數據讀出。3路FIFO數據由FIFO讀出轉移至SDRAM的過程要在下一次FIFO寫入數據之前,也就是由15個A/D驅動時鐘的時間完成此工作,而讀FIFO和寫SDRAM都是由系統時鐘(是A/D驅動時鐘的103倍)驅動的,故單路FIFO存儲數據可以由此來確定。

2.3 SDRAM控制

SDRAM存儲器的優點是存儲空間大、價格低,適合做數據的緩沖區;缺點是控制相對復雜,使用NiosII軟核控制器可以降低SDRAM控制的難度。NiosII提供了SDRAM 的控制接口,硬件結構搭建完成后,在NiosII IDE集成開發環境中編寫C語言程序控制SDRAM。當總線訪問SDRAM接口時,通過寫操作函數IOWR和讀操作函數IORD即可進行SDRAM存儲器的讀寫[11-12]。

2.4 FPGA的配置與Flash數據存儲

基于SRAM原理的FPGA芯片掉電后程序丟失,另外暫存在SDRAM芯片中的數據也會掉電丟失。利用Flash芯片的掉電程序保持特性實現對FPGA的初始化配置和大量采集數據的保持。需要注意的是,寫入Flash的偏移地址大于程序代碼在Flash存儲空間的地址,否則系統程序被覆蓋,無法對FPGA正確配置。

3 工程案例

圖3為系統在某工程采集的爆破振動加速度波形。工程上采用了高精度的電子雷管,設置段間延期為1 s。從圖中采集波形可以看出,段與段之間的數據采集嚴格分開。另外從圖中Z軸(垂直地面方向)對應X、Y軸的波形,可見3路數據采集波形的一致性好。

圖3 某工程3路采集加速度波形

結 語

本文提出的基于FPGA的多路數據同步采集系統實現了多路數據采集的時間同步,為工程爆破振動分析提供更有價值的數據,是爆破振動分析監測的得力工具。另外,嵌入式軟核與邏輯模塊結合成片上系統,設計的電路系統更為簡單可靠。此外本系統還可以多臺組網,通過安置方式的不同來靈活設計監測方案,此方面尚需進一步研究。

[1]張雪亮,黃樹堂.爆破地震效應[M].北京:地震出版社,1981.

[2]孟吉復,惠新斌.爆破測試技術[M].北京:冶金工業出版社,1992.

[3]張立.爆破器材性能與爆炸效應測試[M].合肥:中國科學技術大學出版社,2006.

[4]言志信,等.爆破地震測試及建筑結構安全標準研究[J].巖石力學與工程學報,2003,22(11):1907-1911.

[5]周朝陽,等.基于FPGA的多通道串行A/D轉換器的控制器設計[J].現代電子技術,2008(20):55-58.

[6]Kirianaki N V.Data acquisition and signal processing for smart sensors[M].John Wiley&Sons,2001:51-58.

[7]張東升,等.基于FPGA的高速采集系統設計與實現[J].電子技術應用,2006(5):76-77.

[8]Texas Instruments.12-Bit Micro Power Sampling Analog-To-Digital Converter,2000.

[9]Peter Wilson.FPGA 設計實戰[M].杜生海,譯.北京:人民郵電出版社,2009.

[10]EDA先鋒工作室.Altera FPGA/CPLD設計[M].北京:人民郵電出版社,2011.

[11]Altera Corporation.NiosII Software Developer's Handbook,2009.

[12]Altera Corporation.Embeded Design Handbook,2011.