基于FPGA的嵌入式信號采集與顯示系統的設計

摘 要

本文介紹了一種接口信號采集與顯示系統。該系統主要由數據采集模塊和嵌入式控制模塊組成。針對接口信號的不確定性，數據采集模塊利用自控增益控制技術，調節信號量程，實現了對多種信號的采集與緩存。為了便于小型化與穩定性，嵌入式控制模塊采用AMR芯片作為核心模塊，完成了對采集系統的控制和基本信號處理，并實現實時信號顯示。最后的實驗表明，本文系統對不確定接口信號采集精度較高，系統穩定性較好。

【關鍵詞】信號采集 嵌入式系統 FPGA

數據采集、存儲是數字信號處理過程中非常重要的環節，已經廣泛應用于雷達、測試、系統無損檢測等多個領域。在裝備保障上，通過對預留測試接口的信號采集、分析，可以對裝備工作狀態作出快速判斷，以致更快的確定裝備故障部位，為裝備的快速維修提供了有力保障。為滿足該需求，特設計研制了便攜式的信號采集與顯示系統。

1 系統組成

系統組成如圖1所示。

本系統分為基于FPGA的信號采集模塊和嵌入式控制模塊。對于信號采集部分，主要由FPGA控制完成數據的采集與存儲，其基本程序內容包括：系統各時鐘、AD采集控制、特殊信號采集控制、數字信號采集控制、SRAM控制、控制系統核心、與嵌入式系統接口等。嵌入式系統控制模塊采用基于ARM9的架構。以ARM9為核心，搭建嵌入式系統的硬件平臺。在此平臺之上，移植了嵌入式Linux操作系統，并使用基于嵌入式Linux操作系統的嵌入式QT作為圖形開發工具。最終實現對采集模塊的控制和數據基本信號處理及顯示任務。

2 具體實現

2.1 FPGA固件設計

FPGA固件程序使用Verilog DHL語言編寫，用于配置FPGA。配置后的FPGA相當于一個小型的控制系統，接收采集電路的各種信號，并根據從嵌入式控制模塊接收的控制指令，給予采集電路相應的控制信號，完成各種采集功能，將采集數據存儲于外接的大容量SRAM中。為了實現這些功能，程序包括以下模塊：采集電路的數字部分各模塊、系統各時鐘模塊、AD采集控制模塊、長周期窄脈沖信號采集控制模塊、數字信號采集控制模塊、SRAM控制模塊、控制系統核心模塊、與嵌入式系統接口模塊等。各個模塊之間的關系如圖2所示。

2.2 采集系統硬件部分

采集系統的硬件部分可以按照被測信號類型分為模擬信號AD轉換部分，長周期窄脈沖的特殊信號相位控制部分和普通數字信號并行采集緩沖部分和FPGA采集控制四個部分。

同時硬件系統也可以按照電路功能進行分類，分為自動量程控制部分，AD信號采集部分，特殊信號采集部分，數字信號緩沖部分，FPGA控制部分和電源部分等六個部分，如圖3所示。

自動量程控制可以在保證輸入電阻足夠大的情況下，根據輸入電壓的范圍自動調整量程范圍，從而適應各種電壓范圍的輸入信號。由于測試接口信號電平的不確定性，要實現對小到幾V，大到200V的信號都能檢測，由于AD精度一定且跟信號占量程的大小直接相關，且AD輸入信號范圍為-10～10V，為了在任何情輸入信號的情況下都能保證測試信號進入AD時不會超過AD輸入范圍，并且保證足夠的轉換精度，需要對輸入信號進行預處理，包括信號的衰減或放大。其電路組成分為降壓跟隨器，電壓比較器，過壓判定，輸入保護、繼電器、電阻分壓網絡，延時開關等六個部分。

AD轉換模塊主要完成對模擬信號的模數轉換。其采用AD7665芯片，主要參數為：采集速率：570kSPS；分辨率：16bit；輸入信號范圍：±10V；供電：單+5V電源供電；輸出方式：串行（SPI）、并行；數字部分輸出電壓：5V/3V。

特殊信號處理基本原理就是設置一個計數器在第一個脈沖上升沿到達時開始計數，并在脈沖下降沿到來的時刻將計數器的數值置入寄存器，等待SPI發送。這樣，就可以計算各個脈沖之間的計數差，由于計數所使用高頻時鐘的頻率已知，就可以計算出時間差，在通過標志位判斷各個脈沖計數值屬于哪個通道就可以計算出各通道的周期，和兩個通道之間的相位差。

數字信號存儲，采用74LS16244芯片，完成對采集數據的存儲。

模塊供電：電源電路采用 220V50Hz的交流電輸入，經過一級變壓整流和斬波得到+15V和-15V兩種直流電，兩路電源分別經過四個電源模塊：KA7805，KA7905，KA7812和KA7912來獲得+5V、-5V、+12V、-12V四種直流電源供各模塊使用。

2.3 嵌入式系統及應用程序

嵌入式系統主要完成采集控制、數據前期處理和回顯功能，通過與FPGA的接口，嵌入式系統對采集電路起到控制作用，并能接受采集到的數據進行存儲、預處理和回顯，界面交互性很好。

嵌入式系統選用了三星公司的ARM920T系列的微處理S3C2440AL-40作為處理核心。ARM920T系列微處理器是ARM9TDMI通用微處理器家族的成員之一，內部帶有全性能的MMU，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小能優良特性。

為了減少開發周期，選擇使用一款相應的ARM嵌入式系統平臺，這樣嵌入式系統部分的開發工作就可以集中在應用軟件的開發上，而不用再去設計、制作ARM的硬件電路。經過比較，最后選擇了揚創科技有限公司的YC2440-SBC嵌入式系統平臺。該套裝包括一塊YC2440-SBC板和一塊7寸TFT真彩液晶屏（帶觸摸）及其驅動電路，如圖4所示。

軟件開發平臺選用嵌入式Linux操作系統，在應用程序開發上分為主程序、開機畫面類和主應用窗口類三大部分。主程序主要完成程序的啟動、開機畫面類對象的執行和主應用窗口類對象的執行功能；開機畫面類主要用于在程序啟動后顯示開機歡迎畫面；主應用窗口類用于實現程序的應用功能。其類成員函數又分為構建函數族（主要是界面）、采集函數族、數據處理函數族、數據顯示函數族、串行通信函數族。五個函數族中的函數協同完成數據的采集、存儲、處理和顯示等功能。一次采集過程的簡要流程如圖5所示。

3 實驗結果

本系統針對某裝備62路信號接口成功的進行了信號采集。圖6為33-48路信號的采集波形。實驗驗證表明表明采集的信號準確，完全滿足設計的指標要求，能做到連續快速的多接口信號采集，對采集的信號可以存儲并在顯示器上顯示出來。

4 結論

本系統采集功能完善，已對某型裝備的測試接口進行了信號采集。實驗表明本系統能夠做到大容量高速連續采集，而且穩定可靠，測得的數據準確，為某型裝備保障提供了依據。

參考文獻

[1]李保剛，馬登武.FPGA在多路數據采集系統中的應用研究[J].計算機測量與控制，2012，20（04）：1138-1141.

[2]徐英慧，馬忠梅，王磊.ARM9嵌入式系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

作者簡介

楊光（1979-），男，江蘇省宿遷市人。大學本科學歷。現為92721部隊高級工程師。研究方向為裝備信號檢測。

作者單位

92721部隊 浙江省舟山市 316000