基于FPGA的空間電場(chǎng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

空間電場(chǎng)信號(hào)是近地空間很重要的一個(gè)參量，它的起伏變化影響到太陽(yáng)活動(dòng)、雷暴活動(dòng)、地震活動(dòng)及大氣環(huán)境污染等領(lǐng)域。檢測(cè)電場(chǎng)的狀態(tài)可以為航天發(fā)射活動(dòng)提供空間環(huán)境的電狀態(tài)數(shù)據(jù)，國(guó)外發(fā)射的許多探測(cè)衛(wèi)星和探空火箭都將電場(chǎng)探測(cè)作為重要的科學(xué)探測(cè)目標(biāo)。

在傳統(tǒng)的探空火箭有效載荷——箭載電場(chǎng)儀中，頻道的劃分往往采用模擬濾波。模擬濾波電路不僅電路龐大，而且無(wú)法克服溫度漂移、電壓漂移、噪聲等缺陷，使得應(yīng)用領(lǐng)域受到局限。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器精度高，靈活性好，可靠性強(qiáng)，更適合應(yīng)用在性能較高
的系統(tǒng)。本文提出了應(yīng)用于探空火箭有效載荷的空間電場(chǎng)信號(hào)采集系統(tǒng)，頻道劃分采用數(shù)字濾波處理，應(yīng)用FPGA內(nèi)部的有限脈沖響應(yīng)的IP核，使用FPGA作為主控制器對(duì)空間電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，發(fā)送給后端的公用設(shè)備。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括信號(hào)處理電路、A／D采樣電路、同步422發(fā)送電路、電源電路。本文主要介紹傳感器后續(xù)的電路。FPGA對(duì)A／D采樣進(jìn)行控制，整個(gè)系統(tǒng)需要5 V，3．3 V，2．5 V等電平，5 V電平由外接電源供給，其他的電平通過(guò)5 V轉(zhuǎn)化產(chǎn)生。


1．1 信號(hào)處理模塊

該模塊主要作用是將信號(hào)負(fù)值電壓平移為正值，并將電壓電平平移到后端模塊可以調(diào)整到的幅度范圍之內(nèi)。

該模塊包含兩級(jí)：第一級(jí)采用低噪聲儀表放大器AD8429，對(duì)傳感器傳輸過(guò)來(lái)的差分信號(hào)進(jìn)行差分放大，AD8429的增益設(shè)置計(jì)算公式為G=1+6K／RG，其中RG為反饋電阻，對(duì)AD8429的增益設(shè)置引腳進(jìn)行開(kāi)路處理令G=1，相當(dāng)于將差分信號(hào)變?yōu)閱味诵盘?hào)。其中，由于傳感器每個(gè)探頭采集到的空間電場(chǎng)信號(hào)是在-3～3 V范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)差分放大后的信號(hào)為-6～6 V，不易于直接輸入A／D采樣電路中，因此需要經(jīng)過(guò)第二級(jí)的處理。

第二級(jí)的信號(hào)處理包括增加一個(gè)+2．5 V的直流偏置和分壓處理，運(yùn)算放大器選用的是國(guó)家半導(dǎo)體公司的雙通道LM258芯片，電路簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)第二級(jí)輸出的信號(hào)幅值在0．5～4．5 V之間，可以直接輸入A／D采樣電路進(jìn)行采樣。

1．2 A／D采樣模塊和422發(fā)送模塊

A／D采樣模塊是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，系統(tǒng)性能要求能處理0～1 MHz頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)，根據(jù)奈奎斯特采樣率，本系統(tǒng)選擇的ADS1610模塊采樣率達(dá)到10 MSPS，是一款高速、高精度的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并且ADS1610的控制信號(hào)很豐富，便于FPGA對(duì)采樣電路進(jìn)行控制。ADS的電源和地按照推薦電路配置，注意去耦電容放置的位置要離電源和地的輸入引腳近一些，電容值越小的離引腳越近，這樣使得去耦效果更好，模擬地和數(shù)字地之間僅僅在一點(diǎn)用0 Ω的電阻相連。

值得注意的是，ADS需要外圍電路提供4 V，1 V，2．5 V三個(gè)參考電壓，通過(guò)運(yùn)算放大器OPA2822正向輸入端輸入，經(jīng)過(guò)若干去耦電容后分別進(jìn)入ADS1610的VREFP，VREFN，VMID三個(gè)參考電壓輸入引腳。

同步發(fā)送模塊選用DS26LV31AT，如圖1所示，由FPGA控制使能信號(hào)，輸出時(shí)鐘、數(shù)據(jù)、輸出使能等信號(hào)，發(fā)送給后端檢測(cè)設(shè)備。

1．3 電源模塊

該模塊為系統(tǒng)各個(gè)模塊提供輸出穩(wěn)定的電源。

FPGA供電電壓分為3部分，每個(gè)bank的電壓(VCCO)，參考電壓(VCCAUX)，內(nèi)核電壓(VCCINT)。XC3S500E芯片bank電壓為3．3 V，參考電壓為2．5 V，內(nèi)核電壓為1．2 V。電源模塊選用TI公司的TPS767D325和TPS62003兩款芯片，TPS767D325將供電電壓5 V轉(zhuǎn)換為3．3 V和2．5 V，提供給FPGA的bank電壓和參考電壓，而TPS62003則將二級(jí)電源3．3 V轉(zhuǎn)換成1．2 V，提供給內(nèi)核電壓。

1．4 FPGA控制器模塊

FPGA用來(lái)控制A／D采樣和同步422發(fā)送，F(xiàn)PGA采用的是Xilinx公司Spartan-3E系列的XC3SS00E芯片，它大約有500 k個(gè)門(mén)，10 476個(gè)等效邏輯單元，73 Kb的分布式RAM，360 Kb的塊RAM，4個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理單元，232個(gè)I／O引腳，92個(gè)差分I／O引腳。外圍電路較為簡(jiǎn)單，全局時(shí)鐘從GCLK引腳進(jìn)入FPGA，保證了系統(tǒng)的可靠性。

XC3S500E芯片的配置芯片選用XCF04，容量為4 Mb，3．3 V的核電壓，擁有串行配置接口。

2 FPGA程序設(shè)計(jì)

FPGA程序采用Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)，主要分為三部分的代碼：A／D控制程序、例化FIR的IP核產(chǎn)生數(shù)字濾波器、同步422發(fā)送程序。FPGA內(nèi)部的工作流程圖如圖2所示。


2．1 FPGA對(duì)AD1610采樣的控制

當(dāng)不使用ADS1610的時(shí)候，可以把nPD引腳置低，這樣就關(guān)掉了ADS1610的電源，在設(shè)計(jì)中將nPD引腳置高。ADS1610為并行數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒之后，需要保持時(shí)間來(lái)確保上一組數(shù)據(jù)有效，經(jīng)過(guò)建立時(shí)間之后開(kāi)始接收下一組數(shù)據(jù)，時(shí)序圖如圖3所示。

引腳nSYNC可以用來(lái)同步多片．ADS1610，單片設(shè)計(jì)時(shí)為復(fù)位引腳，這里設(shè)計(jì)不采用多片同步，將nSYNC置低時(shí)，ADS1610是異步復(fù)位的。當(dāng)復(fù)位的時(shí)候，所有的數(shù)字電路清零，16位輸出引腳DOUT[15：0]被全部置為低，而數(shù)據(jù)就緒引腳nDRDY被置為高。在程序的設(shè)計(jì)中，nSYNC在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿拉高，則nDRDY在接下來(lái)的第二個(gè)時(shí)鐘上升沿拉低。

2．2 數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)

借助Matlab中的濾波器設(shè)計(jì)和分析工具FDATool，其操作簡(jiǎn)單、靈活，用戶(hù)只需在GUI中輸入設(shè)計(jì)需要的濾波器各項(xiàng)參數(shù)，就可以獲得需要的數(shù)字濾波器。本設(shè)計(jì)中共劃分為4個(gè)頻段：0～100 Hz，100 Hz～10 kHz，10～100 kHz，100 kHz～1 MHz，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，頻帶寬度過(guò)大的帶通濾波器性能不是很理想，通帶內(nèi)幅度并不平坦，失真較大。因此除了第一個(gè)頻段采用低通濾波器外，另外三個(gè)頻段采用低通濾波器+高通濾波器的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如頻帶為100 Hz～10 kHz可以用截止頻率為10 kHz的低通濾波器和100 Hz的高通濾波器相加得到。將生成的FIR濾波器系數(shù)．coe文件導(dǎo)入4個(gè)Xilinx ISE中的IP核中，分別例化生成四個(gè)FPGA片內(nèi)的數(shù)字濾波器，對(duì)X，Y，Z三個(gè)方向采集到的電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行頻段的劃分。

2．3 同步422

將X，Y，Z每個(gè)方向的各個(gè)通道的濾波后的信號(hào)，加上包頭、時(shí)間碼、通道號(hào)、校驗(yàn)碼之后通過(guò)422芯片DS26LV31AT、發(fā)送給后端的設(shè)備。主要包括兩個(gè)子模塊：波特率產(chǎn)生模塊和發(fā)送模塊。

波特率產(chǎn)生模塊：系統(tǒng)外接18．432 MHz晶振，用來(lái)產(chǎn)生同步422通信所需要的115 200 b／s的波特率。本模塊采用10 MHz時(shí)鐘。波特率的計(jì)算：(1／115 200)／(1／1×107)=86個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，為得到50％占空比的波特率時(shí)鐘，使得計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)到86／2=43時(shí)將輸出置高，之后在計(jì)數(shù)到86時(shí)將輸出置低并重新計(jì)數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)所需波特率的時(shí)鐘；發(fā)送模塊：采用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行編寫(xiě)，由五個(gè)狀態(tài)(IDLE，WAIT，STAR T，SHIFT，STOP)和一個(gè)進(jìn)程組成。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用Altium Designer 6．0繪制原理圖和PCB圖，F(xiàn)PGA程序設(shè)計(jì)則是在Xilinx ISE 11和Modelsim SE 6．5e平臺(tái)上設(shè)計(jì)和仿真，濾波器系數(shù)則是在Matlab中的FDA tools工具箱中生成并導(dǎo)入ISE中的有限脈沖響應(yīng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)核中。

在系統(tǒng)的輸入端加入-3～3 V的模擬輸入電壓進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)行FPGA片上數(shù)據(jù)采集處理實(shí)驗(yàn)，在每個(gè)模塊的輸出端添加測(cè)試焊點(diǎn)，方便逐步調(diào)試。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4所示，根據(jù)后端收到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于FPGA的空間電場(chǎng)信號(hào)采集系統(tǒng)應(yīng)用于探空火箭有效載荷——箭載電場(chǎng)儀探頭后端信號(hào)采集與處理部分，也可以為地面電場(chǎng)儀處理電場(chǎng)信號(hào)提供服務(wù)。該方案解決了電場(chǎng)信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，避免了模擬濾波電路易受溫度、噪聲等影響，硬件電路大大簡(jiǎn)化，可調(diào)適性好。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明本設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)正確，減輕了設(shè)計(jì)者對(duì)于龐大模擬電路的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可移植性強(qiáng)，可用于多種數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)，有一定的參考價(jià)值。