基于FPGA和LabVIEW的遙測信號模擬源設計

摘要：基于FPGA和LabVIEW設計了用于某遙測組件測試的專用設備。運用DDS技術(shù)實現(xiàn)傳輸速率可變的LNDS信號，并使用LabVIEW圖形編程工具，實現(xiàn)了數(shù)字信號源的交互界面，可以產(chǎn)生由上住機程控信號傳輸速率和數(shù)據(jù)內(nèi)容可變的LVDS信號。
關(guān)鍵詞：FPGA；LabVIEW；DDS；LVDS

    多種高新技術(shù)應用于遙測設備中，使得待測信號種類繁多，測試量增大，而且測試時間緊迫、環(huán)境復雜多變等諸多因素對測試系統(tǒng)提出了更高要求，不僅要求測試自動化、快速化，而且要求測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊堅固，抗干擾能力強，具備在復雜環(huán)境下工作的能力?；诳偩€技術(shù)的虛擬儀器測試系統(tǒng)架構(gòu)，能夠滿足上述要求。PCI總線以其速度高、可靠性強、成本低及兼容性好等性能，在各種總線標準中占有重要地位。FPGA器件具有編程方便、速度快、開發(fā)費用低、周期短等特點，受到了廣大設計人員的青睞。DDS頻率合成技術(shù)使輸出信號受頻率控制碼和相位控制碼以及參考時鐘控制，容易實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相，輸出信號具有高速的頻率轉(zhuǎn)換時間、極高的頻率分辨率和低相位噪聲等優(yōu)點?；谏鲜鎏攸c，本設計運用DDS技術(shù)在FPGA片內(nèi)實現(xiàn)可變頻率方波發(fā)送固定格式數(shù)據(jù)，為了實現(xiàn)一個基于虛擬儀器平臺的遙測信號模擬源的設計，下位機與PC通過I／O卡連接。

1 DDS原理及DDS和LVDS在FPGA中實現(xiàn)
    DDS的原理是利用信號的相位與時間成線性關(guān)系的特性，通過查表的方式得到信號的瞬時值，從而實現(xiàn)頻率合成。DDS的基本原理框圖，如圖1所示，輸出正弦信號頻率分辨率為△f=fmin=fclk／2N，其中，fCLK為輸入時鐘頻率；N為累加器的寬度；輸出頻率為fo=fclk×K／2N，K為頻率字的輸入值。本次芯片采用Altera公司的CycloneⅡEP2CSQ208C8，設計采用原理圖和Verilog HDL相結(jié)合的辦法實現(xiàn)，本設計中只需在FPGA內(nèi)部得到可變頻率范圍4～8 MHz的方波，所以不需要D／A和低通濾波器。

     相位累加器采用流水線結(jié)構(gòu)，即在長延時的邏輯功能塊中插入觸發(fā)器，使復雜的邏輯分步完成，減小每個部分的處理延時，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定地運行在較高的頻率上。
    方波波形存儲器直接調(diào)用FPGA芯片內(nèi)部的ROM(2 048×1)模塊，前1 024個點為0，后1 024個點為1。為了保證一個地址位對應一個ROM地址，只截取相位累加器22位地址線的高11位與ROM的11位地址線相連。
    低壓差分信號(Low Voltage Differential Signaling，LVDS)采用極低的電壓擺幅高速差動傳輸數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)點對點或一點對多點的連接。圖2所示為CycloneⅡ器件與INDS接口電路，由差分信號發(fā)送器、差分信號互連器、差分信號接受器組成。在實際設計中，要實現(xiàn)一個LVDS發(fā)送和接收，只需要在MegaWizard中調(diào)用Altlvds并進行定制即可。

2 系統(tǒng)設計
    本設計主要由兩部分組成：上位機LabVIEW和下位機FPGA。
2．1 方案設計
    以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺開發(fā)人機交互界面，F(xiàn)PGA接受上位機命令以可變頻率固定格式循環(huán)發(fā)送上位機傳送的數(shù)據(jù)。設計流程，如圖3所示。

2．2 上位機設計
    上位機用LabVIEW設計人機交互界面，計算出頻率累加字K，通過I／O卡向下位機傳送數(shù)據(jù)和命令。主要傳送以下幾個方面：圖像數(shù)據(jù)、數(shù)字量信息字、幀頭校驗字、發(fā)送校驗字和K。其程序面板，如圖4所示。

2．3 下位機設計
    下位機通過I／O卡接受上位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和命令，并將待發(fā)送數(shù)據(jù)存儲到單口RAM中，接收上位機開始命令后以可變頻率、固定格式循環(huán)發(fā)送存儲在單口RAM中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸格式如下：一幀數(shù)據(jù)130行，每行包括128 Byte。每幀數(shù)據(jù)開始發(fā)送時，先發(fā)送幀頭校驗字，然后再發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，緊接著發(fā)送校驗字，再發(fā)送數(shù)字量信息字。下位機硬件框圖如圖5所示。

    發(fā)送數(shù)據(jù)時控制單元將從單口RAM中讀取的待發(fā)送數(shù)據(jù)存放在FPGA中的乒乓RAM中，并串轉(zhuǎn)換后發(fā)送數(shù)據(jù)。FPGA讀取外部RAM數(shù)據(jù)存入乒乓RAM的時間必須小于并串轉(zhuǎn)換后發(fā)送8位數(shù)據(jù)的時間，否則會造成數(shù)據(jù)丟失。發(fā)送的數(shù)據(jù)格式通過有限狀態(tài)機控制，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖6所示。

3 結(jié)果測試
    本設計FPGA芯片采用Altera公司的EP2C8Q208C8，使用QuatusⅡ8．1開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)編程和仿真，完成對電路設計的功能和時序分析。
    在QuatusⅡ中編譯工程后，建立SignalTapⅡ文件并加入工程、配置STP文件、編譯并將STP文件同原有的設計下載到FPGA中。人機交互界面設置發(fā)送頻率為5 MHz，圖像數(shù)據(jù)為循環(huán)發(fā)送0～127，數(shù)字量信息字為0～253，點擊LVDS開始按鈕。通過SignalTapⅡ窗口下查看邏輯分析儀實時捕獲的數(shù)據(jù)，格式與要求完全一致，發(fā)送數(shù)據(jù)正確。實時捕獲數(shù)據(jù)，如圖7所示。另外，SignalTapⅡ中設置的采樣時鐘頻率要大于被測信號最高頻率的2倍，否則無法正確反映被測信號波形的變化，測試完畢后要將該邏輯分析儀從項目中刪除。

4 結(jié)束語
    文中探討了基于FPGA和LabVIEW的遙測信號模擬源的設計，采用了“FPGA+接口+PC”的設計方案，實現(xiàn)了由PC程控、傳輸速率4～8MHz、固定幀格式的LVDS信號。通過此方法可以在短時間內(nèi)構(gòu)建一個通用靈活的虛擬儀器平臺，接口可以根據(jù)實際條件采用USB、串口、紅外等多種方式。