基于FPGA的多通道頻率測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種多通道頻率測量系統(tǒng)。系統(tǒng)由模擬開關(guān)、信號調(diào)理電路、FPGA、總線驅(qū)動電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對頻率信號的分壓、放大、濾波、比較、測量，具備回路自測試功能，可與主設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具有精度高、可擴(kuò)展、易維護(hù)的特點(diǎn)，有一定的工程應(yīng)用價值。

頻率測量電路是很多檢測與控制系統(tǒng)的重要組成部分，在航空機(jī)載計(jì)算機(jī)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用環(huán)境。隨著檢測與控制系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，頻率測量電路也被提出了新的要求，例如多通道實(shí)時采集、高精度測量等。FPGA的特點(diǎn)是完全由用戶通過軟件進(jìn)行配置和編程，從而完成某種特定的功能，且可以反復(fù)擦寫，因此，以FPGA為核心進(jìn)行電路搭建已成為當(dāng)前數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流方法。本文利用FPGA設(shè)計(jì)了一種多通道頻率測量系統(tǒng)，易于擴(kuò)展，精度較高，符合實(shí)際的需求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由模擬開關(guān)、信號調(diào)理電路、FPGA及其外圍電路、總線驅(qū)動電路構(gòu)成。

模擬開關(guān)完成對頻率信號輸入通道的切換，當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，外部輸入的正弦信號經(jīng)模擬開關(guān)進(jìn)入后級電路，進(jìn)行頻率測量;當(dāng)系統(tǒng)處于自測試狀態(tài)時，由FPGA產(chǎn)生一個頻率恒定的方波信號，該信號經(jīng)模擬開關(guān)進(jìn)入后級電路進(jìn)行頻率測量，通過對比設(shè)定頻率和測量頻率的一致性來監(jiān)測整個系統(tǒng)是否存在故障點(diǎn)。

信號調(diào)理電路完成對正弦信號的前級處理，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是滿足全頻段信號的調(diào)理需求，分以下幾級電路：1)使用3個阻值相同的電阻對正弦信號進(jìn)行1/3分壓，防止高頻信號的幅值超過放大器及比較器的輸入電壓閾值;2)使用儀表放大器對正弦信號進(jìn)行放大，原因是低頻信號的幅值低于比較電壓，如果不進(jìn)行放大就不具備比較意義，而且放大器具有輸出電壓飽和特性，不會造成放大器的輸出電壓超過比較器的輸入電壓閾值;3)使用運(yùn)算放大器及分立的阻容對正弦信號進(jìn)行二階RC濾波;4)使用比較器將正弦信號轉(zhuǎn)換成方波信號，供FPGA采集。

FPGA及其外圍電路是整個測量系統(tǒng)的核心。外圍電路包括以下幾個部分：1)電源轉(zhuǎn)換電路，將5V電源轉(zhuǎn)換為FPGA工作必需的3.3 V及2.5 V電源;2)程序存儲器電路，負(fù)責(zé)存儲可執(zhí)行邏輯代碼，供FPGA工作時調(diào)用;3)JTAG接口電路，方便開發(fā)者進(jìn)行可編程邏輯的燒寫和調(diào)試。FPGA主要完成以下幾個功能：1)產(chǎn)生1路用于系統(tǒng)自測試的幅值為3.3 V、頻率為100 Hz的方波信號;2)進(jìn)行邏輯譯碼，根據(jù)總線指令控制模擬開關(guān)及總線驅(qū)動芯片的動作;3)對輸入信號進(jìn)行數(shù)字濾波，測量信號頻率，并將計(jì)算結(jié)果送到數(shù)據(jù)總線上供主設(shè)備采集。

總線驅(qū)動電路是測量系統(tǒng)與主設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的橋梁，完成FPGA電平與LBE總線電平之間的相互轉(zhuǎn)換，并配合讀寫時序控制數(shù)據(jù)的流通方向。當(dāng)測量系統(tǒng)不需要與主設(shè)備進(jìn)行通信時，關(guān)閉輸出使能開關(guān)，保證測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不會干擾到總線數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 可編程邏輯設(shè)計(jì)

2.1 測頻公式

測量頻率的方法主要有兩種：

1)測頻法。在給定時間T(N個基準(zhǔn)信號f0)內(nèi)對被測信號進(jìn)行周期計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為M，則被測信號的頻率為：

由于計(jì)數(shù)器只能計(jì)整數(shù)，所以誤差由△M=±1引起，計(jì)算結(jié)果的誤差為：

由式(2)可以看出，在時間T一定的情況下，頻率越高，相對誤差越小。

2)測周法。在被測信號一個周期內(nèi)對基準(zhǔn)脈沖f0計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為M，則被測信號的頻率為：

由于計(jì)數(shù)器只能計(jì)整數(shù)，所以誤差由△M=±1引起，計(jì)算結(jié)果的誤差為：

由式(4)可以看出，在基準(zhǔn)脈沖f0一定的情況下，頻率越低，相對誤差越小。

綜上所述，測頻法比較適合高頻信號，測周法比較適合低頻信號。本系統(tǒng)測量的正弦信號頻率范圍為20～3 300 Hz，為了提高測量精度，選用測周法的思想設(shè)計(jì)可編程邏輯電路。

2.2 可編程邏輯設(shè)計(jì)

可編程邏輯采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)不同數(shù)量的通道需求，重復(fù)“調(diào)用”測頻模塊，配置邏輯電路，便于進(jìn)行功能擴(kuò)展。測頻電路的原理如圖2所示，圖中帶有“D”字樣的功能塊表示D觸發(fā)器，帶有“mux”字樣的功能塊表示多路選擇器，帶有“count”或“cnt”字樣的功能塊表示計(jì)數(shù)器。

頻率測量的過程主要分為四個步驟：輸入信號同步、數(shù)字濾波、頻率計(jì)數(shù)、計(jì)數(shù)值輸出。

1)由于輸入被測頻率信號fre_in為異步信號，因此需要經(jīng)過兩級同步器對其進(jìn)行同步處理，得到同步后的頻率信號fre_reg1、fre_ reg2。

2)由于系統(tǒng)時鐘頻率為33 MHz，被測頻率信號的頻率相對較低，為了減少毛刺對頻率測量的影響，同時達(dá)到系統(tǒng)要求的可測頻率范圍，可對同步后的頻率信號進(jìn)行濾波處理，其上限截止頻率設(shè)為3 300 Hz，濾除毛刺信號，生成真實(shí)的被測頻率信號。其實(shí)現(xiàn)方法為：設(shè)置兩個減法計(jì)數(shù)器pos_num和neg_num，分別在fre_reg2的高電子和低電子期間進(jìn)行計(jì)數(shù)，其初始值均為4999。當(dāng)pos_num和neg_num均可計(jì)數(shù)到0時，說明fre_reg2信號的頻率不超過3300Hz，生成真實(shí)的被測頻率信號fre_real1信號;如果pos_num和neg_num計(jì)數(shù)值不能達(dá)到0，則說明fre_ reg2信號頻率大于3 300 Hz，將被視為毛刺信號被過濾掉。

3)對過濾后的真實(shí)被測頻率信號fre_real1進(jìn)行上升沿判斷，以確定頻率計(jì)數(shù)的起始與結(jié)束，控制頻率計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)與輸出過程。

4)計(jì)數(shù)值輸出過程中，需設(shè)置count_delay來判斷頻率信號的周期是否大于1s，如果成立，則認(rèn)定外部無頻率信號輸入，輸出值置為NAN(表示無窮大)。同時，系統(tǒng)啟動過程中頻率計(jì)數(shù)器已經(jīng)開始工作，為了保證頻率計(jì)數(shù)的正確性，可設(shè)計(jì)cnt計(jì)數(shù)器，丟棄初次計(jì)數(shù)值。最后，將有效的計(jì)數(shù)值輸出給fre_data。

3 仿真驗(yàn)證

使用ModelSim對可編程邏輯進(jìn)行仿真。測量對象為1000 Hz方波信號，時鐘頻率為33 M，因此時鐘計(jì)數(shù)值應(yīng)該是33 000。任選信號周期內(nèi)的一個時刻作為系統(tǒng)復(fù)位點(diǎn)，仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，fre_data的值在第三個start信號凸起后變?yōu)?3 000，與理論值完全一致，說明設(shè)計(jì)有效。

4 實(shí)測數(shù)據(jù)

使用信號發(fā)生器提供不同頻率的正弦信號，對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測，所選取的頻率測試點(diǎn)覆蓋整個實(shí)際應(yīng)用的頻率范圍，即20～3 300 Hz，且可以驗(yàn)證可編程邏輯電路的數(shù)字濾波及延時判斷功能。同時，為了更好的模擬發(fā)動機(jī)實(shí)際情況，正弦信號的幅值應(yīng)隨著其頻率的增大而增大。實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，當(dāng)輸入信號的頻率小于1Hz時，系統(tǒng)的延時判斷功能生效，實(shí)測值為NAN(無窮大);當(dāng)輸入信號的頻率大于3 300 Hz時，系統(tǒng)的數(shù)字濾波功能生效，實(shí)測值為0;當(dāng)輸入信號的頻率介于1～3 300 Hz之間時，實(shí)測值的相對誤差不超過0.4%，與實(shí)際頻率基本一致。

5 結(jié)束語

文章提出了一種基于FPGA的多通道頻率測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，主要創(chuàng)新點(diǎn)是利用可編程邏輯芯片搭建數(shù)字濾波電路，通過邏輯分析判別輸入信號是否切斷并做出響應(yīng)，符合實(shí)際應(yīng)用的需求。系統(tǒng)的擴(kuò)展性強(qiáng)，電路結(jié)構(gòu)相對簡單，仿真及實(shí)測結(jié)果表明濾波效果明顯，測量精度較高，在工程領(lǐng)域具備適用價值。