器。此外
FPGA
具有可编程性,可通过硬件描述语言
Verilog 进行逻辑设计,并根据自
己的功能需求修改程序,灵活性非常高。
FPGA
在本系统中不仅起到控制作用,还通过
逻辑设计达到倍频、数据传输等功能,起到了非常关键的作用。
在
FPGA
控制
A/D
模块进行数据采集后,为使采集结果更加准确,本系统需要对结
果进行实时数据处理。目前常见的控制器如
51
、
ARM
等数据处理能力不足,且外设资
源和外部接口有限,而数字信号处理器(
DSP
)作为微处理器在结构设计上的优势使得
其在目前信号滤波等各类复杂的数据处理中具有优势。因此本文选择以
DSP
作为系统
的数据解算核心。
相较于使用单片机作为处理器,使用
FPGA
和
DSP
进行数据采集的系统可以完成对
数据高速的采集、处理和传输功能。
FPGA+DSP
系统的最大优势在于其适合于模块化设
计,同时信号处理速度快,实时性高。综上所述,为满足系统要求,设计了采用高速
ADC
、
FPGA
、
DSP
、千兆网卡等模块组成的测试系统,以实现对冲击波超压的采集和传输。
2.2.2
系统结构
本文所设计冲击波测试系统的核心由
FPGA
和
DSP
组成,包括丰富的外设资源,能
够实现对高频信号的高速、实时采样,同时具备强大的数据处理能力,系统的总体结构
如图
2-3
所示。
由图可知,该系统可实现在线与离线两种采集方式,传感器输出的信号送入
AD9238
芯片后,在
FPGA
的控制下进行模数转换,在线采集时
FPGA
控制
DDR3 SDRAM
缓存
将数据通过千兆网卡接口传输至上位机,离线采集时通过
UPP
数据总线将结果输送至
DSP
中进行处理,并将处理后的数据通过
USB2.0
、百兆网卡等接口将传输到上位机进
行进一步的处理或存储至
SD
卡。
主要包括的模块有:
(
1
)传感器部分:作为一种检测装置其主要作用是对冲击波超压信息进行检测。
(2)
A/D
模块:将传感器采集的信号进行模数转换。
(3)
FPGA
模块:
FPGA
作为该测试系统同步采集的核心,主要作用是控制
A/D
模
块的双通道数据同步进行转换及
DDR3 SDRAM
、千兆网卡、
UPP
总线的逻辑控制。
(4)
DSP
模块:其主要作用是接收
UPP
总线发送的信息,并对其做相应的处理,
然后把结果通过
USB
、百兆网卡接口发送出去或存储至
SD
卡中,从而减轻
FPGA
处理
器的压力。
(5)千兆网卡模块:将
DDR3 SDRAM
中缓存的数据高速传输至上位机。
2.3
主要模块的选型
2.3.1
传感器型号选择
传感器作为一种检测装置能够对外界信息进行感应,本系统所选择的传感器需要对
冲击波信号进行检测,然后将其转换为电信号输入至系统,因此传感器的性能优良直接
影响到系统的测试性能。
常见的应变式传感器固有频率高,对高频信号进行采集时采集到的数据可能会发生
畸变甚至有很大的偏差。此外冲击波测试环境复杂,爆炸产生的高温和强光易使压阻式
传感器产生漂移。故冲击波压力测试大多采用压电式传感器。
本文选用美国
PCB
公司生产的
ICP
压电式传感器进行测试,其虽对电缆的电容和噪
声要求比较高,但具有灵敏度高、固有频率高、温漂小、信噪比高等优点
[33]
,满足冲击
波测试要求。本系统选择了
102B15
、
102B16
系列的传感器。实物图如图
2-4
所示。
文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-411282.html
2.3.2 A/D
模块芯片选择
A/D
模块主要功能是将传感器采集到的信号进行模数转换,其精度与速度直接关系
到测试系统的采集性能,冲击波超压属高频信号,持续时间短,对该信号进行采集时需
A/D
模块的分辨率不低于
10bit,综合考虑采样精度等各项技术指标,使用亚德诺公司推
出的
AD9238
作为本测试系统的
A/D
模块,
AD9238
是一款采样率可达
65M/s
的
12
位
双通道的模数转换器
[34,35]
。
2.3.3 FPGA
模块芯片选择
冲击波测试系统需对高频信号进行高速、实时采样,对时钟和数据采集的速率都有
很高要求。
FPGA
依靠硬件逻辑来实现功能,设计过程中可使用内部
PLL
核生成用户想
要的任何时钟周期,因此采用
FPGA
作为控制器。
FPGA
的逻辑功能是基于查找表
LUT
结构的,其主要优点包括:
(
1
)芯片功耗低。
(2)
FPGA
可重复性进行编程,在硬件电路不变的情况下可根据用户需求设计不同
的软件功能,大大节省了开发成本。
(3)
FPGA
的工作频率由
FPGA
芯片及设计决定,可通过修改软件设计来达到更快
的工作频率。
(4)
FPGA
可并行性运算,使器件内部所有的硬件逻辑同时进行工作,满足实时处
理的要求。
经过比较和筛选,本系统选用
Xilinx
公司
Spartan-6
系列
FPGA
芯片
XC6SLX16-FTG256
用于逻辑控制。该
FPGA
成本与功耗低,其主要配置有:
2
个时钟管理单元与
Memory
控制器;
32
个
BRAM
(每个
18kbit
);
15K
逻辑资源,
18K
触发器
[36]
;
136bit
的最大分布式
RAM
;
32
个
DSP48A1
。
2.3.4 DSP
模块芯片选择
DSP 是随着集成电路和微型处理器技术发展而产生的一种用于处理生活中各种实
际信号的微型处理器件,具有极强的数字信号处理能力。本系统中
DSP
对测试系统采集
的数据进行运算和处理,缓解了
FPGA
芯片的工作负荷。由于
DSP
作为微处理器在结
构和设计上的优势使得其在目前的信号滤波等各类复杂的数据处理中具有优势
[37]
。其主
要特点有:
(1)
采用哈佛总线结构;
(2)
多种处理单元结构;
(3)
指令流水线操作;
(4) DSP
专用指令
[38]
。
目前市场上主流的
DSP
主要有美国
TI
公司的应用于控制领域的
C2000
系列;适用
于手持设备的
C5000
系列以及适合在复杂应用领域使用的高性能芯片
C6000
系列
[39]
。
由于本文设计系统需对采集到的大量冲击波超压数据进行处理,最终采用高性能
C6000
系列的
TMS320C6748
作为数据解算核心,如图
2-6
是
TMS320C6748CPU
的资源框图,
该芯片提供了丰富的内部资源以及外围设备接口,且在芯片内部引入了
UPP
高速接口
进行数据传输,满足了
FPGA
同
DSP
间进行大容量数据传输的要求,极大地提升了测
试系统双核间的数据交互能力。
2.4
系统设计原则
本文冲击波测试系统采用模块化的方式进行设计,主要包括
A/D
、
FPGA
、
DSP
和千
兆网卡模块,各模块相互独立,当其中一个模块发生问题或进行升级后可及时更换,设
计中既要考虑系统的功能及结构,也要考虑各模块间的兼容问题。设计原则主要包括以
下几点:
(1)
功能可实现原则
功能可实现原则是指冲击波测试系统的功能不仅在技术上是可行的,而且要保证其
能够适应复杂环境,能够实现对冲击波超压的稳定采集。
(2)
结构最优化原则
为方便冲击波超压测试试验,本文将采集系统的各模块制作为
10×10cm
的
PCB
板
并将其堆叠放置,大大减小了系统的占地面积,最终的系统简单便携。其
PCB
设计形状
如图
2-9
所示。
(3)
可靠性原则
由于冲击波测试环境复杂,所采集的信号易受到电磁干扰,进而对数据采集和存储
等环节产生不利影响,此外,冲击波易对系统造成破坏,使系统功能失效。系统的可靠
性是指系统能够适应冲击波试验场的恶略条件,并能够将冲击波超压可靠地采集并存储。
在对系统进行设计时,需尽可能选择可靠的元器件,此外进行
PCB
布线时,要尽量优化
布局,减小干扰误差。
参考链接:omapl138 fpga三核高速数据采集处理核心平台方案_深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA的博客-CSDN博客 文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-411282.html