基于FPGA的同步器信號(hào)采集技術(shù)研究

摘要：針對(duì)航空測(cè)試中常用的同步器信號(hào)，提出一種基于嵌入式系統(tǒng)的雙通道同步器信號(hào)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)以同步器專用芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，解析出數(shù)字量的角度和角速率，以FPGA為控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)兩路角度和角速率測(cè)量功能。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)調(diào)試，結(jié)果表明此系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效的采集和處理同步器信號(hào)。

在航空測(cè)試中需要采集并記錄同步器信號(hào)參數(shù)，用于保障飛機(jī)的安全飛行，和評(píng)估飛機(jī)的部分性能。同步器信號(hào)參數(shù)主要包括：飛機(jī)的姿態(tài)角，航向角，發(fā)動(dòng)機(jī)噴口直徑這些參數(shù)。

飛機(jī)姿態(tài)和航向陀螺輸出的角度信號(hào)為三相交流同步器信號(hào)，又稱自整角機(jī)信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)專用同步器芯片處理后，可以得到數(shù)字兩形式的角度信號(hào)和模擬量形式的較

速率信號(hào)。

三相交流同步器信號(hào)為正弦波電壓信號(hào)，交變電勢(shì)與輸出信號(hào)的角度對(duì)關(guān)系為3個(gè)相角差位120°的正余弦公式，輸出信號(hào)的角度僅取決于三相信號(hào)幅值的比值。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由同步器預(yù)處理模塊，電平轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，處理器組成。各功能模塊在處理器的控制下協(xié)調(diào)工作完成兩路角度信號(hào)和角速率信號(hào)的采集。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 同步器預(yù)處理模塊

此模塊由專用同步器信號(hào)處理芯片SDC輔以外圍電路組成。自整角機(jī)三線輸出的角度信號(hào)，經(jīng)SDC同步器處理芯片進(jìn)行預(yù)處理。處理輸出成位數(shù)可選的數(shù)字量角度信號(hào)到數(shù)據(jù)寄存器，同時(shí)輸出模擬量角速率信號(hào)。

1.2 電平轉(zhuǎn)換模塊

由于SDC芯片工作電壓位5 V而FPGA的IO工作電壓是3.3 V，需要用電壓轉(zhuǎn)換芯片74LVC164245使SDC輸出5 V信號(hào)，轉(zhuǎn)換為FPGA可用的3.3 V信號(hào)。

1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

同步器輸出兩路模擬量的角速率信號(hào)，經(jīng)AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字量供處理器使用。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的運(yùn)行由FPGA控制完成，軟件由角度讀取模塊，角速率讀取模塊，控制模塊，數(shù)據(jù)緩存模塊，配置模塊和接口模塊組成。各功能模塊在控制模塊的控制下工作，來(lái)完成對(duì)角度信號(hào)和角速率信號(hào)的處理工作。組合模塊如圖2所示。

2.1 配置模塊

此模塊主要從主控板卡獲取以下信息：1)通道使能;2)通道測(cè)量范圍;3)通道采樣率。功能模塊以這些配置信息，采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.2 角度讀取模塊

此模塊以一個(gè)較高的采樣率對(duì)同步器芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，采樣后的數(shù)據(jù)在兩個(gè)寄存器中進(jìn)行緩存，具體過(guò)程如圖3所示。

系統(tǒng)以64K的頻率采樣，當(dāng)定時(shí)器到達(dá)采樣周期后首先讀取第一通道的角度數(shù)據(jù)，同時(shí)判斷Busy信號(hào)確定將采樣的數(shù)據(jù)寫入那個(gè)緩存，然后讀取第二通道數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)Busy信號(hào)將采樣數(shù)據(jù)寫入第二通道的緩存。

同步器芯片默認(rèn)測(cè)量范圍時(shí)0～360°對(duì)應(yīng)碼值0～65 535。假設(shè)用戶配置某通道測(cè)量范圍時(shí)0～360之間的任意范圍Xmin～Xmax，則采集的數(shù)據(jù)需要按公式(1)進(jìn)行變換，其中MO是采集的原始數(shù)據(jù)，M1是轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。

M1=(MO-Xmin)*65 535/(Xmin-Xmax) (1)

假設(shè)用戶配置某通道測(cè)量范圍時(shí)-180°～180°之間的任意范圍Xmin-Xmax，則采集的數(shù)據(jù)需要按公式(2)或(3)進(jìn)行變換，其中M0是采集的原始數(shù)據(jù)，M1是轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。

M0>32 767時(shí) M1=(M0-65 535/2-Xmin)*65 535/(Xmin-Xmax) (2)

M0<=32 767時(shí) M1=(M0+65 535/2-Xmin)*65 535/(Xmin-Xmax) (3)

在讀取角度數(shù)據(jù)時(shí)按照同步器芯片SDC的時(shí)需要求，通過(guò)相應(yīng)控制位的操作可以使轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)鎖存在輸出寄存器，此時(shí)即可對(duì)其進(jìn)行讀取。

2.3 角速率讀取模塊

同步器芯片對(duì)輸入的三相交流電進(jìn)行處理后輸出對(duì)應(yīng)模擬量的角速率信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器件AD7606快速轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。處理器讀取AD7606轉(zhuǎn)換后的角速率數(shù)據(jù)過(guò)程與讀取角度數(shù)據(jù)類似，采集后的數(shù)據(jù)根據(jù)Busy信號(hào)存入相應(yīng)的緩存。

在讀取角速率數(shù)據(jù)時(shí)按照同步器芯片SDC的時(shí)需要求，通過(guò)相應(yīng)控制位的操作可以使轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)鎖存在輸出寄存器，此時(shí)即可對(duì)其進(jìn)行讀取。由于布板面積的限制，AD7606采用并行字節(jié)讀模式，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)按高低字節(jié)輸出，兩個(gè)通道的角速率信號(hào)。

2.4 控制模塊

控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集數(shù)據(jù)的讀取，并按照通信協(xié)議定的時(shí)序要求將數(shù)據(jù)傳輸給主控板卡。

2.4.1 時(shí)序控制

主控板卡每個(gè)小周期讀取一次功能板卡采集的數(shù)據(jù)。當(dāng)通道采樣率大于小周期頻率，此時(shí)傳輸模式為是超傳輸。當(dāng)通道采樣率小于小周期頻率，此時(shí)傳輸模式為是子傳輸。超傳輸時(shí)，要求每個(gè)通道，每個(gè)小周期傳輸lengen(2n)個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被順序?qū)懭牍艿阑刂稯utBuffOffset開始的緩沖區(qū)中。子傳輸時(shí)每個(gè)通道要求每隔interval個(gè)小周期傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)，首次傳輸偏移位置為SmallPeriodOffset，數(shù)據(jù)被寫入OutBuffOffset開始的緩沖區(qū)中。

每個(gè)通道都有一個(gè)采樣率計(jì)數(shù)器，以CLK_40M的時(shí)鐘觸發(fā)計(jì)數(shù)。假設(shè)通道為超傳輸模式如圖4所示，當(dāng)小周期到來(lái)時(shí)采樣率計(jì)數(shù)器清零，當(dāng)計(jì)時(shí)到采樣時(shí)刻將次通道寫使能置1，將讀取的通道數(shù)據(jù)寫到數(shù)據(jù)RAM中OutBuffOffset開始的緩存中。

控制模塊按照?qǐng)D5所示過(guò)程實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制，每當(dāng)采樣率計(jì)數(shù)器為零時(shí)將此通道的采樣數(shù)據(jù)寫到輸出緩沖區(qū)。

2.4.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)空間使用1K的RAM分為高512地址區(qū)和低512地址區(qū)，F(xiàn)PGA和地板對(duì)數(shù)據(jù)空間的連接如圖6所示。

在對(duì)數(shù)據(jù)空間操作時(shí)，按照小周期同步切換高位地址實(shí)現(xiàn)乒乓操作，如圖7所示。

每當(dāng)小周期同步觸發(fā)時(shí)鐘上升沿到來(lái)之后，F(xiàn)PGA將采樣的數(shù)據(jù)寫入512空間;同時(shí)底板從另512空間讀取上次存放的數(shù)據(jù)，送給主控。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中解決了兩通道同步器信號(hào)的實(shí)時(shí)采集問(wèn)題?？梢詫?shí)時(shí)對(duì)兩通道的角度和角速率信號(hào)采集，并按照傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給主控板。用戶可按照采集信號(hào)的特性配置適當(dāng)?shù)臏y(cè)量范圍，和采樣率來(lái)提高采集信號(hào)的精度。經(jīng)過(guò)仿真和系統(tǒng)調(diào)試，驗(yàn)證了此同步器采集系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)穩(wěn)定性和精確度都達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。