采用CPLD的水下沖擊波記錄儀的應(yīng)用設(shè)計(jì)

1.引言
　　
隨著大規(guī)模集成電路和單片機(jī)的迅速發(fā)展，復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）具有使用靈活、可靠性高、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。CPLD可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程，重復(fù)多次，而且還兼容IEEE1149.1(JTAG)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試激勵(lì)端和邊界掃描能力，使用CPLD器件進(jìn)行開發(fā)，不僅可以提高系統(tǒng)的集成化程度、可靠性和可擴(kuò)充性，而且大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。由于CPLD采用連續(xù)連接結(jié)構(gòu)，易于預(yù)測(cè)延時(shí)，從而使電路仿真更加準(zhǔn)確。CPLD是標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模集成電路產(chǎn)品，可用于各種數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。近年來，隨著采用先進(jìn)的集成工藝和大批量生產(chǎn)，CPLD 器件成本不斷下降，集成密度、速度和性能都大幅度提高，這樣一個(gè)芯片就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)；再加上使用方便的開發(fā)工具，給設(shè)計(jì)修改帶來很大方便。本文以Xilinx公司的CoolRunner系列CPLD芯片為例，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下爆炸時(shí)沖擊波信號(hào)數(shù)據(jù)的記錄。
　　
2　水下沖擊波記錄儀的組成及工作原理
　　
2.1　功能介紹
　　
該水下沖擊波記錄儀電路主要用于測(cè)試水下爆炸時(shí)沖擊波的強(qiáng)弱,通過專用數(shù)據(jù)處理軟件它能夠?qū)Σ杉降臎_擊波信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形重現(xiàn), 并從波形上可讀出沖擊波的壓力峰值及其上升時(shí)間和作用時(shí)間。
　　
2.2　體系結(jié)構(gòu)組成
　　
水下沖擊波記錄儀由數(shù)據(jù)記錄器、接口、測(cè)試數(shù)據(jù)處理軟件三部分組成。數(shù)據(jù)記錄器是一個(gè)集壓力傳感器、瞬態(tài)波形記錄器、接口、電源等于一體的微型測(cè)試裝置，內(nèi)置電壓放大器，直流供電，輸入信號(hào)經(jīng)放大、高速A/D轉(zhuǎn)換后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)字存儲(chǔ)。
　　
2.3 工作原理
　　
壓力傳感器的主要作用是敏感水下沖擊波的強(qiáng)弱，其輸出通過恒流源電路把沖擊壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。調(diào)理電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入范圍之后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行采集，通過中心控制模塊對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)的幅值進(jìn)行判斷并對(duì)存儲(chǔ)器地址進(jìn)行初始化、遞推，數(shù)字信號(hào)即被存儲(chǔ)。讀數(shù)時(shí)計(jì)算機(jī)通過并口發(fā)出讀數(shù)時(shí)鐘及命令，對(duì)三路存儲(chǔ)器進(jìn)行路選、片選并將其中的數(shù)據(jù)讀出。
　　
記錄儀觸發(fā)方案采用負(fù)延遲內(nèi)觸發(fā)：當(dāng)信號(hào)幅值大于或等于傳感器輸出滿量程的10%時(shí)啟動(dòng)負(fù)延遲，而當(dāng)信號(hào)幅值小于此值時(shí)系統(tǒng)處于循環(huán)采集狀態(tài),從而可以有效地防止干擾引起的誤觸發(fā)與不觸發(fā)并準(zhǔn)確、完整地記錄整個(gè)沖擊波波形。水下沖擊波記錄儀的原理組成框圖見圖1。

　　圖1　水下沖擊波記錄儀工作原理圖

　　
3　CPLD的應(yīng)用
　　
在本設(shè)計(jì)中主要使用Xilinx公司開發(fā)的CoolRuner CPLD芯片完成設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)中所采用的是該系列中的XCR3256器件,可實(shí)現(xiàn)6000門的數(shù)字邏輯電路，內(nèi)嵌256個(gè)宏單元，支持4個(gè)全局時(shí)鐘，具有低功耗、可快速ISP、延時(shí)可預(yù)測(cè)等特點(diǎn)。我們選用XCR3256芯片實(shí)現(xiàn)水下沖擊波記錄儀主控模塊,該主控模塊用于對(duì)各外圍器件的控制，協(xié)調(diào)各外圍器件的工作。外圍器件主要有電源芯片組、靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器、晶體振蕩器、A/D轉(zhuǎn)換器、LED、并口等。其中晶體振蕩器包括產(chǎn)生主時(shí)鐘的12MHz晶振和產(chǎn)生延時(shí)計(jì)數(shù)時(shí)鐘的1MHz晶振。主控模塊與各外圍器件的框圖如圖2所示。

　　圖2 水下沖擊波記錄儀主控模塊與各外圍器件電路原理框圖

　　
3.1　靈活性強(qiáng)，開發(fā)周期短
　　
圖2中A/D轉(zhuǎn)換器采用AD7470。它的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸入端CONVST由主時(shí)鐘分頻得到且采樣頻率可編程?？删幊萄訒r(shí)電路是通過一個(gè)四路撥碼開關(guān)對(duì)CPLD輸入不同的電平組合實(shí)現(xiàn)的，通過設(shè)定CPLD數(shù)字邏輯對(duì)產(chǎn)生延時(shí)計(jì)數(shù)時(shí)鐘的1MHz晶振計(jì)數(shù)，輸入不同的電平組合從而譯碼產(chǎn)生不同的延遲時(shí)間，而更改電平組合只需對(duì)記錄儀的面板操作即可。CPLD器件配以ISE開發(fā)系統(tǒng)可完成設(shè)計(jì)輸入、編譯、驗(yàn)證及編程,設(shè)計(jì)校驗(yàn)可進(jìn)行完整的模擬, 最壞情況下的定時(shí)分析和功能測(cè)試。設(shè)計(jì)人員無需編程器就可重構(gòu)數(shù)字系統(tǒng),具有“硬件軟做”的特點(diǎn)。