基于VerilogHDL的背景噪聲扣除電路設計
關鍵詞：VerilogHDL 背景噪聲 扣除
Abstract: A design of circuit which can deduct background noise based on VerilogHDL is introduced in this paper. Compared with the circuit used chips of the forward and backward counters , its interface with MCU is more simple and operation of software is more easy .
Key Word: VerilogHDL, background noise, deduction
1 引言
在微弱信號檢測方法中，常需要使直流量經(jīng)光電調制后轉變?yōu)榻涣餍盘栠M行測量，以扣除背景噪聲來提高系統(tǒng)信噪比。星載紫外遙感儀器同樣采用了壓頻轉換和調制解調實時扣除背景噪聲、零點飄移的方案，但其原有實現(xiàn)背景噪聲扣除功能的單元在與MCU接口及軟件控制上稍顯繁瑣，而且布線面積較大。如能將背景噪聲扣除功能設計成為具有通用接口和易操作的專用集成電路，對該儀器的升級換代有積極的意義。
硬件描述語言VerilogHDL 提供了是一種在廣泛的抽象層次上描述數(shù)字系統(tǒng)的方式，以其C語言風格，容易掌握等特點贏得了眾多硬件設計師的青睞。通過軟件編程來實現(xiàn)硬件功能后，下載到FPGA或CPLD大規(guī)模可編程邏輯器件，能將電路板級產(chǎn)品集成為芯片級產(chǎn)品。
為此，本文使用VerilogHDL進行編程，采用自頂向下的設計方法，經(jīng)仿真驗證和綜合后，得到了具有通用接口和軟件易于操作的背景噪聲電路，彌補了原有單元的不足，取得了較好結果。
2 背景噪聲扣除電路原理
紫外光譜遙感儀器電控部分由斬光器，精密高壓電源及光電倍增管，單片機控制單元，同步累加解調單元，前置低噪聲放大器，壓頻轉換組成。其中斬光器將空間輻射光斬切成為交替的“信號+背景”和“背景”的光信號，使得光電倍增管輸出的信號如圖1所示。調制后的信號放大后，經(jīng)壓頻轉化后變?yōu)轭l率信號，通過同步累加單元的處理。同步累加解調單元采用四片四位二進制加減計數(shù)器SN54HC193進位位相連組成16位加減計數(shù)器，并配以邏輯門電路組成實現(xiàn)的。背景噪聲的扣除功能是依靠16位加減計數(shù)器由時序控制，在通光狀態(tài)下加計數(shù)，在遮光狀態(tài)下減計數(shù)，經(jīng)多周期計數(shù)實現(xiàn)。
圖1經(jīng)斬光器調制后由光電倍增管輸出的信號
背景噪聲扣除原理簡單，但時序控制較繁瑣。原有電路因布線面積和硬件芯片不易過多等諸多考慮，計數(shù)周期及啟?？刂撇捎密浖纱沃袛嘣O置來實現(xiàn)。如圖2所示第一次為中斷
本文課題來源于國家自然科學基金資助項目
項目批準號：60538020
為啟動計數(shù)，查詢到斬光器信號第一個上升沿時進入，設置好計數(shù)周期后再次啟動MCU片內(nèi)計數(shù)器，以保證準確的查詢到第一個上升沿時啟動計數(shù)器。第二次為停止中斷，采集計數(shù)周期溢出后停止計數(shù)。
圖2 軟件控制采集計數(shù)啟停流程圖
易見原背景噪聲扣除功能單元需要與MCU接口的數(shù)據(jù)線較多，需16條，且因不同微處理器片內(nèi)資源不同，軟件操作可能會更繁瑣，可移植性不強。
綜上，如果將背景噪聲扣除功能單元設計成一個8位數(shù)據(jù)總線接口，高低字節(jié)分時復用，能對16位二進制數(shù)預置數(shù)和計數(shù)周期進行設置，操作上僅由MCU給出啟動信號后，等查詢完成信號便可讀取計數(shù)結果的電路，則可大大減少線路板面積，使接口更簡單，提高可操作性和移植性。
3 背景噪聲扣除電路的VerilgHDL設計
依據(jù)自頂向下設計思想和自底向上的實現(xiàn)方法，背景噪聲扣除電路的可劃分為主模塊(backnoise_deduct)，16位二進制加減計數(shù)模塊(bit16addsub)，采集控制模塊(Ctrol)，讀寫接口模塊(Addselec)四個模塊。
主模塊負責調用其它三個模塊，并將輸入輸出接口進行連接。16位二進制加減計數(shù)模塊負責在信號脈沖到來時，對給定的預置數(shù)在調制周期的高電平時加計數(shù)，在低電平時減計數(shù)。采集控制模塊負責當MCU給出允許計數(shù)命令后，自動查詢調制頻率的第一個上升沿啟動計數(shù)，在計數(shù)周期達到后停止計數(shù)，完成計數(shù)后通知MCU。讀寫接口模塊負責與MCU接口，接收儲存計數(shù)周期（斬光器信號或調制信號的周期數(shù)）和16位的預置數(shù)，并將最后計數(shù)結果返回MCU。
主模塊的外部接口如圖3所示。FREQU1， FREQU2為采樣頻率輸入1和2；CHOP_IN斬光器或調制頻率輸入，CLR為清零信號，高電平有效；cpu_alw為MCU發(fā)出的允許信號，高電平有效；stopsign是采集完成信號，高電平為完成；WD,RD,CS為是寫、讀、片選信號；DB為8位雙向數(shù)據(jù)總線；a2_0為3線片內(nèi)寄存器地址譯碼選擇接口。
圖3 背景噪聲扣除主模塊綜合生成原理圖的外部接口
16位二進制加減計數(shù)模塊(bit16addsub)是背景扣除電路的具體實現(xiàn)單元，代碼如下所示。
module bit16addsub(
input wire FREQU,//采樣頻率輸入
input wire CHOP_IN,//斬光器輸入
input EN,//啟?？刂?/P>
input wire CLR,//請零
input wire [15:0] STA_NUM,//初始數(shù)值
output reg[15:0] result_num //計數(shù)結果輸出
);
always @(posedge FREQU or posedge CLR)//對采集信號和清零信號敏感
begin
if(CLR==1)//清零
result_num<=STA_NUM;//重新讀入預置數(shù)
else if(EN==1&&CHOP_IN==1&&FREQU==1)
result_num<=result_num+1;//在使能的狀態(tài)下調制的信號高電平時加計數(shù)
else if(CHOP_IN==0&&EN==1&&FREQU==1)
result_num<=result_num-1;//在使能的狀態(tài)下調制信號的低電平時減計數(shù)
end
endmodule
采集控制模塊(Ctrol)是整個設計的時序控制核心，它輸出的ctrol與16位二進制加減計數(shù)模塊(bit16addsub)的EN向連接便可實現(xiàn)自動控制計數(shù)的啟動，待計數(shù)周期溢出時停止，計數(shù)完成后由stopsign后給出高電平信號通知MCU。其完整代碼如下：
module Ctrol(input wire reset, //復位信號
input wire cpu_alw, //MCU允許信號
input wire chop_in, //斬光器輸入計數(shù)
input wire [16:0] status_in, //計數(shù)周期數(shù)值
output reg ctrol, //加減計數(shù)器的啟?？刂菩盘?/P>
output reg stopsign //計數(shù)完成信號
);
reg [16:0]num_count;//內(nèi)部計數(shù)周期寄存器
always @(posedge reset or posedge chop_in)
begin
if(reset)//復位
begin
num_count<=status_in; //讀入計數(shù)周期
ctrol<=0; //停止計數(shù)
stopsign<=0; //沒有完成計數(shù)
end
else if(chop_in==1&&cpu_alw==1)//允許計數(shù)
begin
if(num_count>0) //采集未完成
begin
ctrol<=1; //16加減計數(shù)器使能
num_count<=num_count-1;//計數(shù)周期減一
end
else
begin
ctrol<=0; //計數(shù)停止
stopsign<=1; //通知MCU
end
end
end
endmodule
讀寫接口模塊(Addselec)在編程時采用通用的雙向數(shù)據(jù)總線輸入輸出方法，經(jīng)過a2_0的3線譯碼選擇寄存器地址，可對計數(shù)周期和預置數(shù)進行賦值，并可讀出最后計數(shù)結果。表1給出了譯碼對應的寄存器地址。
表1 a2_0譯碼選擇真值表
|
a2_0[2:0] |
片內(nèi)寄存器 |
|
000 |
計數(shù)1結果低8位 |
|
001 |
計數(shù)1結果高8位 |
|
010 |
計數(shù)2結果低8位 |
|
011 |
計數(shù)2結果高8位 |
|
100 |
計數(shù)周期低8位 |
|
101 |
計數(shù)周期高8位 |
|
110 |
預置數(shù)低8位 |
|
111 |
預置數(shù)高8位 |
圖4給出了使用ModelSim 軟件對寫信號有效的仿真波形，顯示最后計數(shù)周期低、高8位寫入的數(shù)值為00000101、00000000，預置數(shù)低、高8位數(shù)值為00000011、00000000。
圖4 計數(shù)周期和預置數(shù)在總線寫入時的波形仿真結果
4背景噪聲扣除電路與MCU接口及軟件操作
圖5背景噪聲扣除電路的軟件操作流程
采用上述設計的集成背景噪聲扣除電路在與MCU接口時十分方便。以MCS51系列單片機8051為例，最簡單的連接方式為采用P1口與CLR、cpu_alw、stop_sign相連接，址線與CS、a2_0連接(可據(jù)電路規(guī)模設置片選方式)，數(shù)據(jù)線、讀寫正常連接即可。軟件操作不需要中斷，操作流程如圖5所示。更簡單的做法是在系統(tǒng)初始化時將預置數(shù)和計數(shù)周期賦值為固定值即可。
5 結束語
本文介紹了采用計數(shù)器與門電路組成的背景噪聲扣除電路的實現(xiàn)原理和工作方式，并分析了其局限性，然后提出了一種基于VerilogHDL 語言的背景噪聲扣除電路的設計，使電路接口更為簡單，軟件更易操作，增強了移植性。該設計已經(jīng)應用于在研的紫外遙感儀器中，為儀器的更新?lián)Q代提供了技術支持。本文以通用性和簡便性出發(fā)設計的背景噪聲扣除電路的設計，將適用于以光電調制微弱直流量轉換為交流信號測量的方案。
本文作者創(chuàng)新點:針對原有背景噪聲扣除功能單元的局限性，用VerilogHDL語言設計出了接口方便、易操作的背景噪聲扣除電路，使其有具備了較強的通用性和適用性。
參考文獻
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