基于FPGA的多通道加速度計頻率信號采集系統設計

摘要：文章設計了一種基于現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的多通道加速度計頻率信號采集系統，以FPGA芯片Artix7 XC7A35T為核心，利用FPGA實現高精度、多通道頻率測量功能，通過FT232H芯片將采集數據傳輸至計算機存儲。測試結果表明：該系統可以實現多達12通道的頻率測量，測量精度能夠達至0.01 μs，可以實現10～100 kHz范圍內的頻率測量，精度可達1×10-4 Hz，在整個頻率范圍內測量精度一致。通過與Keysight 53230A高精度測頻儀器數據對比，結果證明系統能夠達到等精度測量的目的。

關鍵詞：多通道；等精度測量；加速度計頻率

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

0 引言

微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技術在微電子學領域迅猛發展，特別是微型加速度傳感器因其小型化、輕質量和高靈敏度，在多個領域如工業監測、汽車電子、移動設備、慣性導航和姿態控制等發揮著核心作用。振梁式加速度傳感器通過檢測質量塊慣性力導致的諧振頻率變化來精確測量加速度，具有寬動態范圍和優良的抗干擾性。隨著對多方向加速度信息和多傳感器數據同步分析需求的增加，開發一種能高效處理多通道頻率信號的系統變得至關重要。本文提出一種FPGA和通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口的設計方案，使用FT232H芯片實現與計算機的高效數據交互，為振梁式加速度傳感器多通道數據采集與分析提供了高效且強大的支持。

1 系統整體設計

基于FPGA的多通道加速度計頻率信號采集系統功能設計如圖1所示。被測信號通過信號調理電路模塊的濾波整形后，傳輸給FPGA進行測頻。選擇100 MHz高精恒溫晶振作為時鐘信號源，FPGA內部鎖相環進行倍頻得到時鐘fs。FT232H為USB接口芯片，負責將FPGA采集的數據傳輸給上位機。

2 測頻方案選擇

2.1 測試對象

本文采集系統可對新型的MEMS石英振梁加速度計進行頻率測量。壓電加速度計利用石英的壓電效應，通過2個石英梁以推挽方式安裝形成諧振腔體。受加速度影響，2個石英梁上會產生拉壓應力，這會改變其諧振頻率。2個石英梁的頻率差會與外加力成正比，從而反映加速度的大小［1］。通常高精度石英振梁加速度計，其測量范圍為±100 g，標度因數為50 Hz/g，偏置穩定性小于100 μg，其輸出頻率通常會在 28～40 kHz范圍內。

2.2 測頻方法

頻率測量方法可以分為直接測頻法、周期測頻法和等精度測頻法。直接測頻法是通過統計計數閘門時間內被測信號的脈沖個數來計算頻率，其測量精度與系統的閘門時間和被測信號頻率相關。對于同一個被測信號，當閘門時間越長，相對誤差就越小，因此，這種方法適用于高頻信號的測量。周期測頻法是基于被測信號的一個周期內基準頻率信號脈沖的個數來計算頻率，其測量精度與被測信號周期和基準頻率信號的精度相關。對于同一被測信號，基準頻率越高相對誤差越小，這種方法適用于低頻信號的測量。等精度測頻法的測量精度與被測信號的頻率大小無關，這種方法能夠達到較高且全頻段一致的測量精度，因此，被認為是一種先進的頻率測量方法［2］。等精度測頻法時序如圖2所示。

圖2中Td為閘門時間，Nt為被測信號計數值，Ns為用于計數的標準頻率信號計數值，fx為被測頻率值。則頻率計算公式為［3］：

3 硬件電路設計

3.1 FPGA選型

本文頻率測量系統選擇Artix7 XC7A35T作為邏輯控制芯片搭建。芯片資源如表1所示。

XC7A35T芯片具有以下優勢。

（1）高性能。Artix7 XC7A35T具有較高的邏輯密度和處理能力，可滿足多通道頻率測量系統的高速數據處理需求。Artix7 XC7A35T具有35000個邏輯單元（Logic Element，LE）、可編程邏輯陣列（Programmable Logic Array，PLA）和數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）模塊，能夠高效地實現各種數字信號處理算法。

（2）低功耗。Artix7 XC7A35T采用了28 nm工藝技術，具有較低的功耗。對于多通道頻率測量系統而言，低功耗特性有利于降低系統能耗，節約運行成本。

（3）高集成度。Artix7 XC7A35T集成了豐富的硬件資源，如串行和并行接口、高速收發器、時鐘管理器和鎖相環（Phase-Locked Loop，PLL）等，有利于簡化系統設計，降低成本。此外，芯片還提供了豐富的IO資源，便于與其他外圍設備進行連接。

（4）易于開發。Artix7 XC7A35T提供了豐富的開發工具和庫，如Xilinx 軟件開發工具包（Software Development Kit，SDK）、ISE設計和驗證工具等，便于用戶進行FPGA設計和系統開發。此外，芯片支持與其他常用電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）工具的兼容性，便于協同設計。

綜上，選擇Artix7 XC7A35T作為多通道頻率測量系統的FPGA芯片，可以充分利用其高性能、低功耗、高集成度等優點，實現系統的高效、穩定運行。

3.2 USB 接口芯片選型

USB接口廣泛應用于數據傳輸與通信，選型時需要考慮數據速率、功耗、成本等因素，本設計選擇FT232H作為USB接口芯片。FT232H是FTDI公司的新一代USB轉串口芯片［4］，與FT245等舊款芯片相比，具有以下優點：

（1）支持USB 2.0高速傳輸模式，最大數據速率可達480 Mbps，滿足多通道高頻率信號采集的帶寬需求；

（2）內置FIFO緩存，有效減少USB傳輸中的數據丟包可能；

（3）支持更多通信接口模式，如SPI、I2C等，便于與FPGA和其他器件連接；

（4）封裝小，功耗低，成本低；

（5）產品成熟度高，資料齊全、應用廣泛，可以降低系統設計的難度。

4 仿真以及系統測試

4.1 USB芯片通信仿真

本文基于Verilog語言編寫了一個仿真文件，用于對USB通信芯片FT232H進行功能測試。仿真測試文件定義了一個名為FT232H_model_tb的模塊，該模塊用于模擬FT232H芯片功能。模塊內部包含了芯片的時鐘、數據輸入輸出、讀寫控制等信號以及一些用于產生隨機數據的函數。對芯片的時鐘、數據輸入輸出、讀寫控制信號進行行為描述。當芯片接收到外部數據時，這些數據將被存儲到芯片內部；而當芯片需要發送數據時，將會把存儲在芯片內部的數據發送出去。此外，根據芯片類型和數據寬度參數，對數據進行相應的處理。仿真結果證實了FT232H USB接口芯片與FPGA的邏輯控制功能是正確的。

4.2 系統整體測試

本文搭建了一個實驗測試平臺，利用DG1022信號發生器、頻率計Keysight 53230A（外接銣原子時鐘作為基準）進行比對測量實驗，驗證電路采集板卡和系統的頻率測試精度達到1×10-4 Hz量級。

5 結語

本文提出了一種基于FPGA和USB接口的設計方案，使用FT232H芯片實現與計算機的高效數據交互，為加速度傳感器多通道數據采集與分析提供了高效且強大的支持。通過搭建實驗平臺，利用DG1022信號發生器、高精度頻率計 Keysight 53230A進行比對測量實驗，驗證了系統的頻率測試性能和精度滿足設計要求。

參考文獻

［1］高延濱，詹俊妮，何昆鵬，等.高精度石英振梁加速度計頻率采樣系統設計［J］.應用科技，2012（3）：61-65.

［2］戴瑩春，嚴家明，劉詩斌，等.基于FPGA的等精度測頻模塊的研究與實現［J］.彈箭與制導學報，2006（1）：623-625.

［3］李麗華.FPGA實現的數字等精度測頻儀設計［J］.電子測試，2022（21）：29-32.

［4］席赫岐.基于USB接口的高速信號采集系統設計［J］.信息系統工程，2016（12）：106-107.

Design of multi-channel accelerometer frequency signal acquisition system based on FPGA

Abstract： This paper designs a multi-channel accelerometer frequency signal acquisition system based on field programmable gate array（FPGA）， with the FPGA chip Artix7 XC7A35T as the core. The FPGA is utilized to realize high-precision， multi-channel frequency measurement functions. The collected data is transmitted to the computer for storage through the FT232H chip. The test results show that： the system can realize frequency measurement of up to 12 channels. The measurement precision can reach 0.01 μs and frequency measurement in the range of 10～100 kHz can be realized. The precision can reach 10-4Hz with consistent measurement precision across the entire frequency range. Through comparison with the data of Keysight 53230 A high-precision frequency counter， it has been verified that the system achieves the goal of equal precision measurement.

Key words： multi-channel; equal precision measurement; accelerometer frequency