基于FPGA的空間電場信號采集系統(tǒng)設計

摘要：提出一種基于FPGA的空間電場信號數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設計方案，F(xiàn)PGA為主控制器控制A／D采樣和同步422發(fā)送。X，Y，Z三個方向的空間電場信號經(jīng)過信號處理和A／D采樣，在FPGA片內濾波劃分為不同的頻段，通過同步422接口發(fā)送到后續(xù)設備。該系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定，致力于應用在探空火箭有效載荷——箭載電場儀上，對其他電場信號采集與處理系統(tǒng)也有一定的應用價值。
關鍵詞：FPGA；空間電場信號；數(shù)據(jù)采集；同步422

0 引言
    空間電場信號是近地空間很重要的一個參量，它的起伏變化影響到太陽活動、雷暴活動、地震活動及大氣環(huán)境污染等領域。檢測電場的狀態(tài)可以為航天發(fā)射活動提供空間環(huán)境的電狀態(tài)數(shù)據(jù)，國外發(fā)射的許多探測衛(wèi)星和探空火箭都將電場探測作為重要的科學探測目標。
    在傳統(tǒng)的探空火箭有效載荷——箭載電場儀中，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，而且無法克服溫度漂移、電壓漂移、噪聲等缺陷，使得應用領域受到局限。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，更適合應用在性能較高
的系統(tǒng)。本文提出了應用于探空火箭有效載荷的空間電場信號采集系統(tǒng)，頻道劃分采用數(shù)字濾波處理，應用FPGA內部的有限脈沖響應的IP核，使用FPGA作為主控制器對空間電場信號進行數(shù)據(jù)采集，發(fā)送給后端的公用設備。

1 系統(tǒng)結構設計
    系統(tǒng)結構如圖1所示，包括信號處理電路、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A／D采樣進行控制，整個系統(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5 V轉化產生。

1．1 信號處理模塊
    該模塊主要作用是將信號負值電壓平移為正值，并將電壓電平平移到后端模塊可以調整到的幅度范圍之內。
    該模塊包含兩級：第一級采用低噪聲儀表放大器AD8429，對傳感器傳輸過來的差分信號進行差分放大，AD8429的增益設置計算公式為G=1+6K／RG，其中RG為反饋電阻，對AD8429的增益設置引腳進行開路處理令G=1，相當于將差分信號變?yōu)閱味诵盘枴Ｆ渲校捎趥鞲衅髅總€探頭采集到的空間電場信號是在-3～3 V范圍內，經(jīng)過差分放大后的信號為-6～6 V，不易于直接輸入A／D采樣電路中，因此需要經(jīng)過第二級的處理。
    第二級的信號處理包括增加一個+2．5 V的直流偏置和分壓處理，運算放大器選用的是國家半導體公司的雙通道LM258芯片，電路簡單，經(jīng)過第二級輸出的信號幅值在0．5～4．5 V之間，可以直接輸入A／D采樣電路進行采樣。
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)設計的關鍵，系統(tǒng)性能要求能處理0～1 MHz頻帶范圍內的信號，根據(jù)奈奎斯特采樣率，本系統(tǒng)選擇的ADS1610模塊采樣率達到10 MSPS，是一款高速、高精度的模擬數(shù)字轉換器，并且ADS1610的控制信號很豐富，便于FPGA對采樣電路進行控制。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三個參考電壓，通過運算放大器OPA2822正向輸入端輸入，經(jīng)過若干去耦電容后分別進入ADS1610的VREFP，VREFN，VMID三個參考電壓輸入引腳。
    同步發(fā)送模塊選用DS26LV31AT，如圖1所示，由FPGA控制使能信號，輸出時鐘、數(shù)據(jù)、輸出使能等信號，發(fā)送給后端檢測設備。
1．3 電源模塊
    該模塊為系統(tǒng)各個模塊提供輸出穩(wěn)定的電源。
    FPGA供電電壓分為3部分，每個bank的電壓(VCCO)，參考電壓(VCCAUX)，內核電壓(VCCINT)。XC3S500E芯片bank電壓為3．3 V，參考電壓為2．5 V，內核電壓為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則將二級電源3．3 V轉換成1．2 V，提供給內核電壓。
1．4 FPGA控制器模塊
    FPGA用來控制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個門，10 476個等效邏輯單元，73 Kb的分布式RAM，360 Kb的塊RAM，4個數(shù)字時鐘管理單元，232個I／O引腳，92個差分I／O引腳。外圍電路較為簡單，全局時鐘從GCLK引腳進入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程序設計
    FPGA程序采用Verilog語言編寫，主要分為三部分的代碼：A／D控制程序、例化FIR的IP核產生數(shù)字濾波器、同步422發(fā)送程序。FPGA內部的工作流程圖如圖2所示。

2．1 FPGA對AD1610采樣的控制
    當不使用ADS1610的時候，可以把nPD引腳置低，這樣就關掉了ADS1610的電源，在設計中將nPD引腳置高。ADS1610為并行數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)準備就緒之后，需要保持時間來確保上一組數(shù)據(jù)有效，經(jīng)過建立時間之后開始接收下一組數(shù)據(jù)，時序圖如圖3所示。

    引腳nSYNC可以用來同步多片．ADS1610，單片設計時為復位引腳，這里設計不采用多片同步，將nSYNC置低時，ADS1610是異步復位的。當復位的時候，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。在程序的設計中，nSYNC在時鐘信號的下降沿拉高，則nDRDY在接下來的第二個時鐘上升沿拉低。
2．2 數(shù)字濾波器的實現(xiàn)
    借助Matlab中的濾波器設計和分析工具FDATool，其操作簡單、靈活，用戶只需在GUI中輸入設計需要的濾波器各項參數(shù)，就可以獲得需要的數(shù)字濾波器。本設計中共劃分為4個頻段：0～100 Hz，100 Hz～10 kHz，10～100 kHz，100 kHz～1 MHz，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，頻帶寬度過大的帶通濾波器性能不是很理想，通帶內幅度并不平坦，失真較大。因此除了第一個頻段采用低通濾波器外，另外三個頻段采用低通濾波器+高通濾波器的方法來實現(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文件導入4個Xilinx ISE中的IP核中，分別例化生成四個FPGA片內的數(shù)字濾波器，對X，Y，Z三個方向采集到的電場信號進行頻段的劃分。
2．3 同步422
    將X，Y，Z每個方向的各個通道的濾波后的信號，加上包頭、時間碼、通道號、校驗碼之后通過422芯片DS26LV31AT、發(fā)送給后端的設備。主要包括兩個子模塊：波特率產生模塊和發(fā)送模塊。
    波特率產生模塊：系統(tǒng)外接18．432 MHz晶振，用來產生同步422通信所需要的115 200 b／s的波特率。本模塊采用10 MHz時鐘。波特率的計算：(1／115 200)／(1／1×107)=86個系統(tǒng)時鐘周期，為得到50％占空比的波特率時鐘，使得計數(shù)器在計數(shù)到86／2=43時將輸出置高，之后在計數(shù)到86時將輸出置低并重新計數(shù)，就可實現(xiàn)所需波特率的時鐘；發(fā)送模塊：采用狀態(tài)機進行編寫，由五個狀態(tài)(IDLE，WAIT，STAR T，SHIFT，STOP)和一個進程組成。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)
    本設計系統(tǒng)硬件設計采用Altium Designer 6．0繪制原理圖和PCB圖，F(xiàn)PGA程序設計則是在Xilinx ISE 11和Modelsim SE 6．5e平臺上設計和仿真，濾波器系數(shù)則是在Matlab中的FDA tools工具箱中生成并導入ISE中的有限脈沖響應的知識產權核中。

    在系統(tǒng)的輸入端加入-3～3 V的模擬輸入電壓進行測試，進行FPGA片上數(shù)據(jù)采集處理實驗，在每個模塊的輸出端添加測試焊點，方便逐步調試。系統(tǒng)設計框圖如圖4所示，根據(jù)后端收到的實驗數(shù)據(jù)對比可知，本系統(tǒng)設計完成了設計要求。

4 結語
    本文提出的基于FPGA的空間電場信號采集系統(tǒng)應用于探空火箭有效載荷——箭載電場儀探頭后端信號采集與處理部分，也可以為地面電場儀處理電場信號提供服務。該方案解決了電場信號采集系統(tǒng)設計要求，避免了模擬濾波電路易受溫度、噪聲等影響，硬件電路大大簡化，可調適性好。經(jīng)過實踐證明本設計方法設計正確，減輕了設計者對于龐大模擬電路的設計負擔，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，可移植性強，可用于多種數(shù)據(jù)采集電路的設計，有一定的參考價值。