【正文】 ute for Electrical and Electronic Engineers）的定義：嵌入式系統(tǒng)是控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置 [4]。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 4 根據(jù)上述性能指標(biāo)， 整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵是控制芯片的設(shè)計(jì)。 論文安排 本論文 采用三級(jí)目錄格式撰寫(xiě)， 共分為五 章 。 然后 詳細(xì)介紹了多通道采樣模塊中信號(hào)調(diào)理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、輸入輸出接口、顯示模塊，并詳細(xì)介紹了所用 到的 主要器件 性能。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 5 第 2 章 多路信號(hào) 采集器的總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)分析 基于 FPGA 的多路信號(hào)采集器系統(tǒng) 涉及的 內(nèi)容 包括， 信號(hào)的采集，數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)， 實(shí)時(shí)信息的顯示。 信號(hào)處理器的選擇 在高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，傳統(tǒng)方法多采用單片 機(jī)或 DSP(數(shù)字信號(hào)處理器 )作為 控制器 ，控制 A/D 轉(zhuǎn)換 、存儲(chǔ)器和其他外圍電路的工作。因?yàn)?FPGA 鐘頻率高，內(nèi)部時(shí)延小，全部控制邏輯由硬件完成，速度快，組成形式靈活，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路 。FPGA 的 I/O 端口多、可在線編程、便于擴(kuò)展等眾多優(yōu)勢(shì)將在本設(shè)計(jì)中展現(xiàn)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用通用串行通信接口 RS232。信息與物質(zhì)和能量息息相關(guān)，但又與物質(zhì)和能量有本質(zhì)的區(qū)別。數(shù)據(jù)采集技術(shù)就是信息獲取技術(shù)； (2) 信息傳遞技術(shù)：包括各種信息的發(fā)送、傳輸、接收、顯示、記錄技術(shù)，特別是人機(jī)信息交換技術(shù)； (3) 信息處理技術(shù)：包括各種信息的變換、加工、放大、濾波、提取、壓縮等技術(shù)，特別是數(shù)字信號(hào)處理與人工智能技術(shù)； (4) 信息利用技術(shù)：包括各種利用信息進(jìn)行控制、操縱、指揮、管理決策的技術(shù) 。如果 x(t)有截止頻率 fc，即當(dāng) f=fc 時(shí)， W(f)=0，且滿足 cfT1? （ 21） 時(shí)，離散信號(hào) X(nT)完全能確定連續(xù)信號(hào) x(t)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能是完成同時(shí)對(duì)三路不同信號(hào)的同時(shí)采集，為此針對(duì)不同的傳感器設(shè)計(jì)了不同的調(diào)理電路，然而考慮到硬件資源的節(jié)省，采用同一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道實(shí)行分時(shí)傳送，即用 CD4051 作為模擬通道的開(kāi)關(guān)，這是一種能實(shí)現(xiàn)對(duì) 8 路信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)，用 LF398 作為采樣保持器， A/D 轉(zhuǎn)換采用 TLC5510 高數(shù)采樣 轉(zhuǎn)換 器件。 基于 FPGA 的 多 信號(hào) 據(jù)采集器的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖 所示。本設(shè)計(jì)采用的 Altera 公司的 FLEX10KEPF10K20RC2084 型 FPGA芯片。所以，對(duì)于溫度的采集可選用 DS18B20 直接 連 接到控制芯片上作為一個(gè)單獨(dú)的采集通道。在小規(guī)模顯示控制系統(tǒng)中，常用的顯示的器件無(wú)外乎LED 數(shù)碼管和 LCD 液晶器件。 控制器 FPGA 結(jié)構(gòu) 原理 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 ((FPGA)是八十年代中期出現(xiàn)的新型高密度可編程邏輯器件，它是在 PAL， GAL， EPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，隨著工藝技術(shù)的發(fā)展與市場(chǎng)的需求，超大規(guī)模、高速、低功耗的新型 FPGA/CPLD 不斷推陳出新 [7]。 FPGA 一般是基于 SRAM 工藝，其基本可編程邏輯單元通常由查找表 (Look Up Table, LUT)和寄存器 (Register )組成。底層嵌入功能單元指那些通用度較高的嵌入功能模塊，比如PLL ( Phase Locked Loop )。 查找表 (LookUpTable) 簡(jiǎn)稱為 LUT， LUT 本質(zhì)上就是一個(gè) RAM。實(shí)際上， LUT 具有更快的執(zhí)行速度和更大的規(guī)模。 Altera 的 FLEX10K 器件是工業(yè)界首例嵌入式 PLD。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 11 圖 FLEX10K 器件結(jié)構(gòu) 這種 FPGA 的結(jié)構(gòu)可分為三塊：宏單元（ Macrocell）、可編程連線（ PIA）和 I/O 控制塊。 傳感器 傳感器的分類 傳感器（ transducer / sensor）： 能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由 敏感元件 、 轉(zhuǎn)換元件 和轉(zhuǎn)換電路 組成 [20]。 物理 型 傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如 壓電效應(yīng) ， 磁致伸縮 現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。 根據(jù)輸出信號(hào)，可分為 模擬傳感器 —— 將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào) ； 數(shù)字傳感器 —— 將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào) (包括直接和間接轉(zhuǎn)換 )； 膺數(shù)字傳感器 —— 將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào) 的輸出 (包括直接或間接轉(zhuǎn)換 )。通常還將用于初步處理被測(cè)信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上 。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認(rèn)為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。因?yàn)椋词故峭晃锢?量 ，也有多種原理的傳感器可供選擇，哪一種原理的傳感器更為合適，需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮下面這些具體問(wèn)題：量程的大小；被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方法為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法有線或是非接觸測(cè)量；還有就是來(lái)源，進(jìn)口還是國(guó)產(chǎn)，價(jià)錢及是否自行研制 [9]。定義為在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。如將零輸入和滿量程輸出點(diǎn)相連的理論直線作為擬合直線；或?qū)⑴c特性曲線上各點(diǎn)偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。所以要求傳感器本身應(yīng)具備較高的信噪比盡量減少?gòu)耐饨缫氲母蓴_信號(hào) 。 遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱?程）變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象成為遲滯。 分辨率： 分辨力是指?jìng)鞲衅骺赡芨惺艿降谋粶y(cè)量的最小變化的能力。通常傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨力并不相同，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 14 因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標(biāo)。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響， 機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因而頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率低。 數(shù)字溫度 傳感器 DS18B20 美國(guó) DALLAS 公司生產(chǎn)的 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，具有 體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。 64 位光刻 ROM 的排序是：開(kāi)始 8 位（ 28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號(hào)，最后的 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC 碼）。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 15 表 溫度轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)表 溫度值 二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出 16 進(jìn)制輸出 +125℃ 0000 0111 1101 0000 07D0H +85℃ 0000 0101 0101 0000 0550H +℃ 0000 0001 1001 0001 0191H +℃ 0000 0000 1010 0010 00A2H +℃ 0000 0000 0000 1000 0008H 0℃ 0000 0000 0000 0000 0000H ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8H ℃ 1111 1111 0101 1110 FF5EH ℃ 1111 1110 0110 1111 FE6FH 55℃ 1111 1100 1001 0000 FC90H DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測(cè)得的溫度值與 TH、 TL（分別為最高和最低檢測(cè)溫度）作比較。 R R0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)： R1R0=00 時(shí)為 9 位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 ； R1R0=10 時(shí)為 11 位精度，最大 轉(zhuǎn)換時(shí)間 375ms； R1R0=11 時(shí)為12 位精度，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 750ms；未編程時(shí)默認(rèn)為 12 位精度。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 16 斜 率 累 加 器預(yù) 置比 較計(jì) 數(shù) 器 1低 溫 度 系 數(shù) 晶 振= 0溫 度 寄 存 器預(yù) 置計(jì) 數(shù) 器 2= 0高 溫 度 系 數(shù) 晶 振停 止加 1L S B 置 位/ 清 除 圖 DS18B20 原理圖 低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化時(shí)振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器 2的脈沖輸入。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值。 壓力傳感器 PJT204 用半導(dǎo)體應(yīng)變片制作的傳感器稱為壓阻式傳感器，其工作原理是基于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。硅的壓阻效應(yīng)不同于金屬應(yīng)變計(jì)（見(jiàn)電阻應(yīng)變計(jì)），前者電阻隨壓力的變化主要取決于電阻率的變化，后者電阻的變化則主要取決于幾何尺寸的變化（應(yīng)變），而且前者的靈敏度比后者大 50～ 100 倍。廣 泛用于工業(yè)設(shè)備、石油、水利、化工、醫(yī)療、電力、空調(diào)、金剛石壓機(jī)、冶金、車輛制動(dòng)、樓宇供水等壓力測(cè)量與控制 。 供電電壓： 24DCV（ 9～ 36DCV。 絕緣電阻：大于 2021MΩ（ 100VDC。 電氣接口（信號(hào)接口）：四芯屏蔽線、四芯航空接插件、緊線螺母 。采用特種的中間帶有通氣導(dǎo)管的電纜及專門的密封技術(shù)，既保證了傳感器的水密性，又使得參考?jí)毫η慌c環(huán)境壓力相通，從而保證了測(cè)量的高精度和高穩(wěn)定性 。30% 、 VFS=10mV177。%FS； 輸入阻抗 ～ 6KΩ； 補(bǔ)償溫度 10℃ ～ +70℃ ； 工作溫度 40℃ ～ +85℃； 絕緣電阻 100MΩ/50V ； 絕緣強(qiáng)度 500MΩ/500V ； 測(cè)壓方式 投入式 ； 電氣連接 防水密封電纜引線 ； 適用介質(zhì) 與 316 不銹鋼相兼容的流體 ； 外殼保護(hù) IP65 ； 防爆等級(jí) ExiallCT5 。如下圖 多路分時(shí)采集分時(shí)輸入結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是多路信號(hào)共同使用一個(gè) S/H 和A/D 電路，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，有利于降低成本 。 模擬多路切換器調(diào) 理 電 路調(diào) 理 電 路調(diào) 理 電 路 采 樣 保 持采 樣 保 持采 樣 保 持采 樣保 持A / D 轉(zhuǎn)換 器F P G A 圖 多路同步采集分時(shí)輸入結(jié)構(gòu) （ 2） 分散式 分散式的特點(diǎn)是每一個(gè) S/H 和 A/D 只對(duì)本路模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換即數(shù)據(jù)采集，采集的 多路 數(shù)據(jù) 同時(shí) 輸入 到 FPGA， 在 FPGA 的并行處理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)真正的同步。 調(diào)理電路 調(diào)理電路的作用就是把傳感器輸出信號(hào)調(diào)節(jié)到 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)即 1~5V 或 4~20mA。下圖 的放大電路是根據(jù)儀用放大電路原理設(shè)計(jì)， IC IC IC3 是 三個(gè) 型號(hào)為 LM324 的運(yùn)算放大器， 能實(shí)現(xiàn)的放大倍數(shù)為： )1221(34 RRRR ?。 CD4051 有 3 個(gè)二進(jìn)制控制輸入端 A、 B、 C 和 一個(gè)禁止輸入端 INH，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流 ，在系統(tǒng)中均由控制芯片 FPGA 提供信號(hào) 。其允許的這三種電壓的范圍是 ~15V[10]。 極限值：電源電壓 ： － ~18V； 輸入電壓 ： － ~VDD+； 輸入電流 ： 177。 圖 CD4051 管腳圖 系統(tǒng)電路連接圖詳見(jiàn)附錄 A。 LF398 是由雙極型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管組成采樣保持器，它具有采樣速度快，保持下降內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 22 速度慢，以及精度高等優(yōu)點(diǎn) ，采樣時(shí)間小于 6us 時(shí)精度可達(dá) %。 3） REF：邏輯及邏輯參考電平，控制采樣保持器的工作方式?？捎猛饨与娮枵{(diào)整采樣保持的偏差。 5V 到 177。 TLC5510 最大可提供 20MHz 的采樣率，可廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字 TV、醫(yī)學(xué)圖像、視頻會(huì)議以及 QAM 解調(diào)器等領(lǐng)域。 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 A/D 轉(zhuǎn)換器 的功能是把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字處理系統(tǒng)能夠識(shí)別 數(shù)字信號(hào)。當(dāng)其外接電容為 1uF 時(shí)，其下降速度為 5mV/min。反之，進(jìn)入保持狀態(tài)。 圖 LF398 管腳圖 LF398 引腳功能如下： 1） IN：模擬量電壓輸入。 表 CD4051 的真值表 輸入狀態(tài) 接通通道 INH C B A 8 個(gè) IN/OUT 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 7 1 X X X 無(wú) 采樣保持器 采樣保持器（ Sample/Hold），簡(jiǎn)稱 S/H，其主要用途是：保持采樣信號(hào)不變，以完成 A/D 的轉(zhuǎn)換；同時(shí)采樣幾個(gè)模擬量，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和測(cè)量 。 4）引腳說(shuō)明 如圖 所示 。 最初設(shè)計(jì) 推薦工作條件： 電源電壓范內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 21 圍 ： 3V~15V； 輸入電壓范圍 ： 0V~VDD。 INH=‘ 1’，即 INH=VCC 時(shí)，所有通道都斷開(kāi)，禁止模擬量輸入；當(dāng) INH=‘ 0’，即 INH=VSS 時(shí)，通道接通，允許模擬量輸入，輸入范圍 是 VCC~VSS。 圖 可調(diào)放大電路 多路模擬開(kāi)關(guān)