基于FPGA的高速AD轉(zhuǎn)換

摘要：在雷達(dá)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)接收到的信號(hào)首先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換速度和準(zhǔn)確性直接決定了之后FFT等運(yùn)算的準(zhǔn)確性，最終影響雷達(dá)測(cè)量精度。介紹了一種基于FPGA，利用芯片ADS7890實(shí)現(xiàn)一種快速14位串行AD轉(zhuǎn)換，對(duì)系統(tǒng)的軟件和硬件做了說(shuō)明。硬件部分主要為ADS7890的基本外圍電路以及芯片EP2C35F672C與其的控制連接，軟件部分利用Quartus II 8．0編程。

關(guān)鍵詞：FPGA；雷達(dá)；AD轉(zhuǎn)換；ADS7890

當(dāng)前實(shí)時(shí)測(cè)距技術(shù)有超聲波測(cè)距、激光測(cè)距、雷達(dá)測(cè)距等。在原理上以上幾種測(cè)距方式類(lèi)似，但毫米波雷達(dá)測(cè)距克服了其他幾種探測(cè)方式在運(yùn)用中的一些缺點(diǎn)。毫米波雷達(dá)有穩(wěn)定的探測(cè)性能，與光學(xué)相比，它不易受對(duì)象物表面形狀和顏色的影響，而與超聲波、紅外線相比，它不受大氣紊流的影響，且受雨、霧、雪、陽(yáng)光、灰塵等的干擾小。雷達(dá)接收到的信號(hào)為一調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，而隨著數(shù)字化的發(fā)展，在檢測(cè)、控制等領(lǐng)域，越來(lái)越多的模擬信號(hào)需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。AD轉(zhuǎn)換即是將輸入的模擬信號(hào)以二進(jìn)制數(shù)字輸出的過(guò)程，根據(jù)香農(nóng)(Shannon)定理：如果隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)的最高頻率為ω，只要按照采樣頻率ωs≥2ωmax進(jìn)行采樣，那么取出的樣品系列(f1*(t)、f2*(t)，…)就足以代表(或恢復(fù))f(t)。其主要包括采樣、保持、量化和編程4個(gè)過(guò)程。

對(duì)應(yīng)特定的應(yīng)用，AD轉(zhuǎn)換要求不同，在高頻雷達(dá)設(shè)計(jì)中，要求AD轉(zhuǎn)換有較高的轉(zhuǎn)換速度，才能實(shí)時(shí)測(cè)距；而最終雷達(dá)測(cè)距的精度，與AD轉(zhuǎn)換、FFT的位數(shù)有直接關(guān)系。一些自帶AD的單片機(jī)不僅數(shù)據(jù)處理速度慢，且AD位數(shù)也達(dá)不到要求，故本設(shè)計(jì)采用基于FPGA平臺(tái)，利用ADS78 90實(shí)現(xiàn)快速、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1 系統(tǒng)硬件電路

系統(tǒng)主要總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)采用ALTERA公司的芯片EP2C35F672C6為控制核心，對(duì)ADS7890進(jìn)行控制及轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)處理。雷達(dá)測(cè)距可采用雷達(dá)IVS-167，它是Innosent公司推出的一款I(lǐng)VS(Innosent VCO stereo)系列的K-波段帶VCO的雷達(dá)收發(fā)器。由于采用平面微帶天線結(jié)構(gòu)，且收發(fā)天線合一，使得其外形十分小巧，在工作中不僅節(jié)能省電，而且非常易于集成于各種電路，也易于在安裝環(huán)境中構(gòu)建模塊保護(hù)設(shè)施。

在本設(shè)計(jì)中，以雷達(dá)接收信號(hào)為模擬信號(hào)輸入，通過(guò)功放電路使輸入信號(hào)達(dá)到AD轉(zhuǎn)換芯片要求，再利用FPGA產(chǎn)生時(shí)序控制ADS7890串行發(fā)送數(shù)字信號(hào)的開(kāi)始、結(jié)束，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)處理后通過(guò)led顯示結(jié)果。

1．1 芯片ADS7890

ADS7890是一種高位快速AD轉(zhuǎn)換芯片，包含2．5 V內(nèi)部參考電壓的模擬14位串行AD轉(zhuǎn)換器，其最高采樣率為1．25 MSPS，具有48個(gè)引腳，可作為SPI或DSP接口。芯片中含省電設(shè)備，當(dāng)轉(zhuǎn)換速度較低時(shí)進(jìn)入省電模式。芯片可應(yīng)用于光電傳感器、電機(jī)電流／電壓傳感器、醫(yī)療檢測(cè)儀器、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

ADS7890的基本外圍電路如圖2所示。模擬地與數(shù)字地分開(kāi)。、SDO 5個(gè)引腳與控制芯片相連。

1．2 FPGA簡(jiǎn)介

FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)作為可編程邏輯器件，是在PAL等邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，其規(guī)模比較大，可以代替幾百塊通用IC芯片。它的結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：一個(gè)二維的邏輯塊陣列，構(gòu)成了其邏輯組成核心；輸入／輸出塊；連接邏輯塊的互連資源。隨著超大規(guī)模集成電路工藝的不斷提高，F(xiàn)PGA的規(guī)模也越來(lái)越大，它的單片邏輯門(mén)數(shù)已可達(dá)上百萬(wàn)門(mén)，功能也不斷增強(qiáng)。用戶可以在其基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單快捷的完成設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用芯片EP2C35F672C6。

使用FPGA設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)電路主要有如下特點(diǎn)：

1)設(shè)計(jì)靈活FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。

2)集成度高 一片F(xiàn)PGA可代替幾片、幾十片乃至上百片中小規(guī)模的數(shù)字集成電路芯片。

3)工作速度快FPGA的設(shè)計(jì)思想是并行的設(shè)計(jì)思想，而不是順序執(zhí)行的軟件思想，這樣在設(shè)計(jì)上就大大提高了系統(tǒng)的工作速度。

4)降低成本 隨著FPGA的工藝發(fā)展，F(xiàn)PGA已經(jīng)克服自身價(jià)位高的缺點(diǎn)，具有較高的性價(jià)比。

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2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

FPGA的基本控制時(shí)序圖如圖3所示。FS位為數(shù)據(jù)幀格式調(diào)節(jié)，其為高時(shí)為SPI模式，置低時(shí)為DSP模式，此設(shè)計(jì)用于SPI，將FS置高。CS下降沿觸發(fā)ADS7890發(fā)送數(shù)據(jù)，在SCLK上升沿發(fā)送一位數(shù)據(jù)，14個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)AD轉(zhuǎn)換的14位結(jié)果，之后用1、2個(gè)SCLK周期作為延時(shí)，以保證AD結(jié)果正確性。設(shè)置一位BUSY作為忙標(biāo)志，置高后不接受數(shù)據(jù)。設(shè)置一復(fù)位位RESRT。SDO為數(shù)據(jù)傳輸位。

編程設(shè)計(jì)采用VHDL語(yǔ)言。VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。除了含有許多硬件特征的語(yǔ)句外，VHDL的語(yǔ)言形式和描述風(fēng)格與句法十分類(lèi)似于一般的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言。一個(gè)完整的VHDL語(yǔ)言程序通常含有5個(gè)部分：實(shí)體(Entity)、結(jié)構(gòu)體(ArcbAtecture)、配置(Configuration)、程序包(Package)和庫(kù)(Library)。

源程序中的結(jié)構(gòu)體定義如下。注意ADS7890的輸入對(duì)應(yīng)的是EP2C35F672C6的輸出。

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3 結(jié)論

隨著數(shù)字化的發(fā)展，AD轉(zhuǎn)換在各個(gè)領(lǐng)域得到了充分的應(yīng)用，而對(duì)其的要求也越來(lái)越高。本設(shè)計(jì)采用高集成度的FPGA為硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS7890的控制應(yīng)用，經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)具有較高轉(zhuǎn)換精度，對(duì)快速變化的輸入信號(hào)具有反應(yīng)靈敏，系統(tǒng)測(cè)試準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠。