基于FPGA和DSP的高速瞬態(tài)信號檢測系統(tǒng)

　　引 言

　　目前國內急需一種能夠對電火工品的發(fā)火過程進行實時無損耗監(jiān)測的方法和手段，并根據(jù)監(jiān)測結果對火工品的可靠性進行準確的判決和認證，解決科研和生產(chǎn)過程中的具體問題。本系統(tǒng)采用感應式線圈作為非接觸式啟爆電流的啟爆裝置，并采用高速A/D、FPGA、DSP等先進的集成電路實現(xiàn)了電火工品的無損耗檢測。其主要目的是：第一，解決電火工品可靠性試驗中微秒級瞬態(tài)信號的檢測、處理和存儲技術;第二，為可靠性試驗提供一種在線的無損耗實時檢測系統(tǒng)，以便對電火工品的發(fā)火全過程進行監(jiān)測;第三，為電火工品的發(fā)火可靠性認證和評估提供真實的評價依據(jù)，減少或杜絕因拒收產(chǎn)品而出現(xiàn)經(jīng)濟方面的風險，同時也可減少或杜絕因錯誤地接收產(chǎn)品而出現(xiàn)武器裝備質量方面的隱患。

　　1 系統(tǒng)組成

　　整個系統(tǒng)的組成如圖l所示。當啟爆電路在DSP和FPGA的控制下啟爆時，感應線圈取出啟爆電流，首先是高速數(shù)據(jù)采集與存儲電路，以FPGA為核心，對數(shù)據(jù)進行高速采集與存儲。數(shù)據(jù)存儲完畢，F(xiàn)PGA發(fā)信號告知DSP采集完畢，開始對采集的數(shù)據(jù)進行相關的處理。DSP對信號處理的內容：首先對信號濾波，然后進行必要的時域和頻域分析，提取相關的信號特征，包括持續(xù)時間、信號帶寬、峰值、功率、能量等。處理完的數(shù)據(jù)通過USB口傳送到計算機，繼而進行專業(yè)的相關分析。這里如果采用高速DSP進行數(shù)據(jù)采集，對于DSP的運算能力是一種浪費。而在高速數(shù)據(jù)采集方面，F(xiàn)PGA有單片機和DSP無法比擬的優(yōu)勢。FPGA時鐘頻率高，內部時延小;全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高.因此有圖l所示的系統(tǒng)組成。

　　2 硬件電路

　　2.1 高速數(shù)據(jù)采集與存儲電路

　　為了能夠對作用時間為μs級的電火工品的啟爆電流進行實時監(jiān)測，采用了由一些大規(guī)模集成電路芯片構成的高速數(shù)據(jù)采集與存儲電路，如圖2所示。

　　電火工品無損耗檢測的主要內容是對啟爆電流的測量。

　　電火工品的啟爆電流作用時間為μs級。XCS30是Xilinx公司基于SRAM技術的FPGA芯片，由它發(fā)出指令對電容Cl充電并啟爆電火工品DT。非接觸式感應線圈作為啟爆電流的探測裝置，取出電壓。前端調理電路一是擴大可測信號的幅度范圍，設置放大器，對小信號進行放大，以保證足夠的動態(tài)范圍;二是為了不給被測信號帶來影響，輸入端應有較高的輸入阻抗。在實驗中測到的電壓帶有噪聲，于是通過濾波器將噪聲濾掉。但這樣處理以后，信號的驅動能力下降，以至于A/D不能正確地采樣，于是加了一級跟隨器，增強驅動能力，這樣A/D就可以正確地采樣了。

　　XCS30的主要任務是：④控制可控硅D1的導通，使電容器C1充電;②控制可控硅D2的導通，使電火工品啟爆;③在D2導通的同時，啟動A/D轉換，以實現(xiàn)A/D采樣與啟爆信號的同步;④產(chǎn)生地址信號，將A/D輸出的數(shù)據(jù)存儲到SRAM中;⑤判斷SRAM的存儲空間是否已滿，以便結束A/D采樣，并輸出CLKR信號，通知圖3所示的數(shù)據(jù)處理與傳輸電路，讀取SRAM中的數(shù)據(jù)。其中①與②兩項任務是在DSP的控制下進行的，如同3所示，即XCS30接收到DSP的指令后才能完成上述兩項任務。DSP經(jīng)過XCS30而控制Dl和D2導通的原因，是為了提高負載的驅動能力。也就是說，XCS30的驅動能力比DSP強，可以可靠地使可控硅Dl和D2導通。

　　實際使用時，數(shù)據(jù)采集與存儲電路所達到的主要性能是：①采樣速率達到40 Msps，即采樣間隔25 ns;②存儲器容量為512KB;③被采樣信號的最大持續(xù)時間為12.8 ms。

　　被采樣信號因為檢測對象的不同而持續(xù)時間有μs級的也有ms級的，因此采樣頻率不能一成不變。經(jīng)過分析，最小采樣頻率為5 MHz，最大采樣頻率為40 MHz。而FPGA外接晶振的頻率為40 MHz，應該對它進行8分頻。外接一個兩位撥動開關，“00”時對應采樣頻率為40 MHz，“11”時對應的采樣頻率為5 MHz。

　　2.2 數(shù)據(jù)處理與傳輸電路

　　TMS320VC33是圖3所示電路的核心器件，其主要功能是：①讀取圖2所示SRAM的數(shù)據(jù)。電路上的連接關系是，TMS320VC33的A19選通AS7C34096A的輸出使能信號OE，DSP的地址線A0～A18及數(shù)據(jù)線DO～D7分別與SRAM的Ao～A18及數(shù)據(jù)線D0～D7相接。②對讀取的數(shù)據(jù)進行處理，包括必要的時域和頻域分析，主要是大數(shù)據(jù)量的FFT。③通過串行接口芯片將采集和處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C。

　　DSl270是一種非易失性的存儲器。其輸出電壓高電平為5 V，但TMS320VC33的I/O口電平為3.3 V，不能承受高電平為5 V的TTL信號。為了使TMS320VC33與DSl270能交換數(shù)據(jù)，采用74LVC4245實現(xiàn)3.3V和5V的電平轉換。74LVC4245同時具有3.3 V和5 V兩種供電電源，與DSP相連的I/O腳電平為3.3V，與DS1270相連的I/O腳電平為5 V。

　　由于TMS320VC33片內設有ROM，掉電后程序和數(shù)據(jù)信息都將遺失，因此需要外接存儲器。這里選用Flash芯片AM29F040存儲程序，用DS1270存儲數(shù)據(jù)處理過程中及過程后的數(shù)據(jù)。電源芯片TPS767D318產(chǎn)生3.3V和1.8 V的電壓給DSP供電;上電后，TPS767D318的復位腳將產(chǎn)生一個低電平，此信號同時將DSP復位，DSP將程序從程序存儲器引導到高速RAM區(qū)后開始全速執(zhí)行。數(shù)據(jù)進入DSP，DSP對數(shù)據(jù)進行處理，即進行必要的時域和頻域分析，提取相關信號特征，將處理后的結果再放回DSl270。

　　3 軟件設計

　　圖2所示電路的核心器件是XCS30，前述5項功能是通過VHDL實現(xiàn)的，其流程如圖4(a)所示。圖中CHG和FIR分別是發(fā)給XCS30，并使其發(fā)送對電容Cl充電和啟爆電火工品DT的指令;ENCODE是啟動A/D轉換的信號;WR是寫SRAM的信號，地址值A=7FFFFh表示SRAM已滿。這時XCS30輸出CLKR信號，表明采樣和存儲過程已經(jīng)結束。

　　圖4(a)分為4個功能模塊：產(chǎn)生發(fā)火信號、分頻器、頻率選擇器、地址分配器。圖4(b)為DSP程序流程。

　　編寫VHDL程序并在ISE7.1中的仿真波形如圖5所示。

　　4 小 結

　　DSP的優(yōu)勢有：數(shù)據(jù)處理能力強，高速度運算，能實時完成復雜計算，單周期多功能指令，豐富的串口資源。利用DSP強大的數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度的優(yōu)勢，可以提高分析系統(tǒng)的精度和實時性，滿足監(jiān)測系統(tǒng)的更高的性能要求。由于將DSP與FPGA等高新的芯片運用到該系統(tǒng)中，一片可以實現(xiàn)許多功能，蹦此減少了使用的其他器件，精簡了主板系統(tǒng);特別是增加功能比較方便，只需修改軟件。這樣，相對降低了整個系統(tǒng)的成本，而且增強了整個系統(tǒng)的性能。