【導讀】影響到控制質(zhì)量。然而，自然中的信號各種各樣，環(huán)境復雜，并且控制器對信號的要求。亦各不相同，這些都使得信號采集一直以來都是技術難點。本文試圖設計一種多路的基于FPGA的信號采集器。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器以單片機。好等眾多優(yōu)點，尤其在并行信號處理能力方面比DSP更具優(yōu)勢。在信號處理領域，經(jīng)。常需要對多路信號進行采集和實時處理，這亦是本文的目標。在硬件方面，介紹了傳感器、測量通道、FPGA芯片的結(jié)構(gòu)原理和性能。本設計大部功能通過軟件仿真得到了方案要求的結(jié)果，其中數(shù)字通道在實際電路

　　

【正文】 臨時拷貝，每一次上電復位時被刷新；第 6 字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯 1；第 8 字節(jié)位計數(shù)剩余值和每度計數(shù)值；第 9 字節(jié)讀出是前面所有 8 字節(jié)的 CRC 碼，可用來保證通信正確。 DS18B20 的測溫原理如圖 所示 。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 16 斜 率 累 加 器預 置比 較計 數(shù) 器 1低 溫 度 系 數(shù) 晶 振= 0溫 度 寄 存 器預 置計 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送給計數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化時振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器 2的脈沖輸入。計數(shù)器 1 和溫度寄存器被預置在 55℃所對應的一個基數(shù)值，計數(shù)器 1 對低度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計算。當計數(shù)器 1 的預置值減到 0 時，溫度寄存器的值將加 1，計數(shù)器 1 的預置將重新被裝入，計數(shù)器 1 重新開始對低溫系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)。如此循環(huán)直到計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時，停止溫度寄存 器的累加，此時溫度寄存器的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中非線性，其輸出用于修正計數(shù)器 1 的預置值。 DS18B20 正常使用時的測溫分辨率位 ℃，若要更高的精度，可采取直接讀取DS18B20 內(nèi)部暫存寄存器的方法，將 DS18B20 的測溫分辨率提高到 ～ ℃。要獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果，首先可用 DS18B20 提供的讀暫存寄存器指令（ BEH）讀出以 ℃為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中最低有效位（ LSB），得到所測實際溫度整數(shù)部分 “ T 整數(shù) ” ，然后再用 BEH 指令讀取計數(shù) 器 1 的計數(shù)余值（即 M 剩余 ）和每度計數(shù)值（ M 每度 ），考慮到 DS18B20 測量溫度的整數(shù)部分以 ℃、 ℃為進位界限的關系 。 由于傳感器的硬件電路連接簡單，導致的直接后過就是編程的復雜，不過 以 無形的軟件資源換取 硬件資源的節(jié)省是一種不錯的節(jié)省之道。 壓力傳感器 PJT204 用半導體應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體的壓阻效應。而半導體繼承了金屬電阻應變片性能穩(wěn)定、精度較高等優(yōu)點 ，并且在靈敏系數(shù)方內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 17 面大大改善了。 壓阻效應 ： 當力作用于硅晶體時，晶體的晶格產(chǎn)生變形 ,使載流子從一個能谷向另一個能谷散射 ,引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發(fā)生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異，因此硅的壓阻效應與晶體的取向有關。硅的壓阻效應不同于金屬應變計（見電阻應變計），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（應變），而且前者的靈敏度比后者大 50～ 100 倍。壓阻式傳感器廣泛地應用于航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)學工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個領域 。 所以壓力傳感器就選取 佛山市浩捷電子儀器有限公司 的 PTJ204 壓力傳感器／變送器 。 PJT204 采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。廣 泛用于工業(yè)設備、石油、水利、化工、醫(yī)療、電力、空調(diào)、金剛石壓機、冶金、車輛制動、樓宇供水等壓力測量與控制 。 量程： 0～ 1～ 150（ Mpa）。 綜合精度： ％ FS、 ％ FS、 ％ FS、 ％ FS。 輸出信號： 4～ 20mA（二線制）、 0～ 5V、 1～ 5V、 0～ 10V（三線制 ） 。 供電電壓： 24DCV（ 9～ 36DCV。 介質(zhì)溫度： 20～ 85℃。 環(huán)境溫度：常溫（ 20～ 85℃ ） 。 負載電阻：電流輸出型：最大 800Ω；電壓輸出型：大于 50KΩ。 絕緣電阻：大于 2021MΩ（ 100VDC。 密封等級 ： IP65。 長期穩(wěn)定性能： ％ FS／年 。 振動影響：在機械振動頻率 20Hz～ 1000Hz 內(nèi)，輸出變化小于 ％ FS。 電氣接口（信號接口）：四芯屏蔽線、四芯航空接插件、緊線螺母 。 機械連接（螺紋接口）： 1／ 220UNF、 M1 M M22 等，其它螺紋可依據(jù) 用 戶要求設計 。其 壓力傳感器種類有：水壓傳感器，水壓測控傳感器，水壓變送器，水壓測控變送器，水壓測控儀器，水管水壓傳感器，水管水壓測控傳感器，水管水壓變送器，水管水壓測控變送器，管道水壓傳感器，管道水壓測控傳感器，管道水 壓變送器，管道水壓測控變送器壓力傳感器。 液位傳感器為 DX130 西安鼎興自控工程有限公司 DX130 液位傳感器利用流體靜力學原理測量液位，是內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 18 壓力傳感器的一項重要應用。采用特種的中間帶有通氣導管的電纜及專門的密封技術，既保證了傳感器的水密性，又使得參考壓力腔與環(huán)境壓力相通，從而保證了測量的高精度和高穩(wěn)定性 。 主要技術指標 ： 量程 0～ 1(2， 3， 4， 5， 10， 100， 200)m ； 零位輸出 V0≤177。3mV； 滿量程輸出 VFS=100mV177。25%、 VFS=50mV177。30% 、 VFS=10mV177。30% ； 過載能力 150%； 供電 恒流源： 1～ 4mA；恒壓： 6～ 9VDC ； 線性 177。%FS； 重復性 177。%FS ； 遲滯 177。%FS； 輸入阻抗 ～ 6KΩ； 補償溫度 10℃ ～ +70℃ ； 工作溫度 40℃ ～ +85℃； 絕緣電阻 100MΩ/50V ； 絕緣強度 500MΩ/500V ； 測壓方式 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 IP65 ； 防爆等級 ExiallCT5 。 測量通道 測量通道的 選擇 由于傳 感器輸出的信號是模擬量（數(shù)字式的除外），而且很多時候不能直接 采集，還需要進行適當?shù)男盘栒{(diào)理即調(diào)理電路、采樣與保持、 A/D 轉(zhuǎn)換器等測量通道，若采用分時輸入還需要模擬多路切換器。由于是多路信號采集，那么采樣保持器和 A/D 轉(zhuǎn)換器是共用同一套還是每一路信號一套，所以可分為集中式和分散式 [9]。 （ 1） 集中式 集中式即采樣保持器和 A/D 轉(zhuǎn)換器共用同一組，其結(jié)構(gòu)又可分為同步采集和分時采集。如下圖 多路分時采集分時輸入結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點是多路信號共同使用一個 S/H 和A/D 電路，簡化了電路結(jié)構(gòu)，有利于降低成本 。但這種結(jié)構(gòu)的對信號的采集會產(chǎn)生時間內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 19 偏斜誤差對要求嚴格同步的系統(tǒng)不適用。 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A / D 轉(zhuǎn)換 器F P G A 圖 多路分時采集分時輸入結(jié)構(gòu) 而如下圖 多路同步采集 分時輸入結(jié)構(gòu)，能滿足對信號的同步采集。但是保持器總會有些遺漏，使 信號衰減，因此它還不能獲得真正的同步。 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 多路同步采集分時輸入結(jié)構(gòu) （ 2） 分散式 分散式的特點是每一個 S/H 和 A/D 只對本路模擬信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換即數(shù)據(jù)采集，采集的 多路 數(shù)據(jù) 同時 輸入 到 FPGA， 在 FPGA 的并行處理過程中實現(xiàn)真正的同步。 結(jié)構(gòu) 如下圖 所示 。 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A / D 轉(zhuǎn) 換 器A / D 轉(zhuǎn) 換 器A / D 轉(zhuǎn) 換 器F P G A 圖 分散采集式結(jié)構(gòu) 結(jié)合 實際情況 ，考慮開發(fā)的難易也為了節(jié)省硬件資源，最后測量通道選取多路分時采集分時輸入。 以下就將詳細介紹 傳輸通道的 各個模塊。 調(diào)理電路 調(diào)理電路的作用就是把傳感器輸出信號調(diào)節(jié)到 標準信號即 1~5V 或 4~20mA。在一內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 20 般的測量系統(tǒng)中信號的調(diào)理任務比較復雜，除了小信號放大、濾波外，還有諸如 零點校驗、線性化處理、溫度補償、誤差修正、量程切換等。這里就 詳細說明一下放大電路。 由于傳感器熟的信號是 mV 級的，因此放大電路的放大級數(shù)得達到千倍級。下圖 的放大電路是根據(jù)儀用放大電路原理設計， IC IC IC3 是 三個 型號為 LM324 的運算放大器， 能實現(xiàn)的放大倍數(shù)為： )1221(34 RRRR ?。所以其理論放大 至少 20 倍，通過調(diào)節(jié)R1 更改放大倍數(shù)，調(diào)節(jié) R8 實現(xiàn)調(diào)零。 圖 可調(diào)放大電路 多路模擬開關 多路模擬開關 的主要用途是把多個模擬量參數(shù)分時地送入下游電路，完成多到一的轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中由于考慮到信號的路數(shù)不是很多，因此就 選取 CD 公司的 CD4051 單端 8 通道多路開關 ，通常其導通或關斷時間在 1us 左右，能滿足設計要求 。 CD4051 有 3 個二進制控制輸入端 A、 B、 C 和 一個禁止輸入端 INH，具有低導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 。 C、 B、 A 得到信號用來選擇 8 個通道之一被接通。 INH=‘ 1’，即 INH=VCC 時，所有通道都斷開，禁止模擬量輸入；當 INH=‘ 0’，即 INH=VSS 時，通道接通，允許模擬量輸入，輸入范圍 是 VCC~VSS。所以用戶可以根據(jù)自己的輸入信號范圍和數(shù)字控制信號的邏輯電平來選擇 VCC， VSS， VEE 的電壓值。其允許的這三種電壓的范圍是 ~15V[10]。 CD4051 提供了 16 引線多層陶瓷雙列直插（ D）、熔封陶瓷雙列直插（ J）、塑料雙列直插（ P）和陶瓷片狀載體（ C） 4 種封裝形式。 最初設計 推薦工作條件： 電源電壓范內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 21 圍 ： 3V~15V； 輸入電壓范圍 ： 0V~VDD。 工作溫度范圍 ： M 類 ： － 55℃ ~125℃ ； E 類 ：－ 40℃ ~85℃ 。 極限值：電源電壓 ： － ~18V； 輸入電壓 ： － ~VDD+； 輸入電流 ： 177。10mA； 儲存溫度 ： － 65℃ ~150℃ 。 4）引腳說明 如圖 所示 。 C、 B、 A： 為 地址端 ； IN/OUT： 模擬信號 輸入輸出端 ；INH： 禁止端 ； OUT/IN： 數(shù)字信號 公共輸出 /輸入端 ； VCC： 正電源 ； VEE： 模擬信號地 ； VSS： 數(shù)字信號地 。 圖 CD4051 管腳圖 系統(tǒng)電路連接圖詳見附錄 A。 CD4051 模擬通道選通 的真值表如表 所示 。 表 CD4051 的真值表 輸入狀態(tài) 接通通道 INH C B A 8 個 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 采樣保持器 采樣保持器（ Sample/Hold），簡稱 S/H，其主要用途是：保持采樣信號不變，以完成 A/D 的轉(zhuǎn)換；同時采樣幾個模擬量，以便進行數(shù)據(jù)處理和測量 。本系統(tǒng)采用美國國家半導體公司的 LF398， LF398 是一種反饋型采樣保持器，也是目前 較為流行的通用型采樣保持器 [10]。 LF398 是由雙極型絕緣柵場效應管組成采樣保持器，它具有采樣速度快，保持下降內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 22 速度慢，以及精度高等優(yōu)點 ，采樣時間小于 6us 時精度可達 %。 連接電路詳見 附錄A 其功能引腳 如圖 所示。 圖 LF398 管腳圖 LF398 引腳功能如下： 1） IN：模擬量電壓輸入。 2） OUT：模擬量電壓輸出。 3） REF：邏輯及邏輯參考電平，控制采樣保持器的工作方式。當 8 引 腳 (控制邏輯 )為高電平時，為采樣狀態(tài)。反之，進入保持狀態(tài)。 4） offset：偏置，偏差調(diào)整引腳 ?？捎猛饨与娮枵{(diào)整采樣保持的偏差。 5） CH：保持電容引腳，用來連接外部保持電容。當其外接電容為 1uF 時，其下降速度為 5mV/min。 6） V+ V：電源引腳，變化范圍為 177。 5V 到 177。 10V。 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)能夠識別 數(shù)字信號。 本設計中選用 TLC5510，它 是 美國德州儀器 (TI)公司的 8 位半閃速架構(gòu) A/D 轉(zhuǎn)換器，采用 CMOS工藝，大大減少比較器數(shù)。 TLC5510 最大可提供 20MHz 的采樣率，可廣泛應用于高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字 TV、醫(yī)學圖像、視頻會議以及 QAM 解調(diào)器等領域。 TLC5510 的工作電源為 5 V，功耗為 100 mW(典型值 ) [11]， TLC