基于FPGA 的高精度振動采集傳輸系統(tǒng)?

李東星 榮 剛 穆克強(qiáng) 任勇峰 賈興中

（1.北京航天長征飛行器研究所 北京 100048）（2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 北京 100071）（3.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）

1 引言

在航天飛行測試中，由于發(fā)動機(jī)或風(fēng)阻等的影響在飛行器各個地方會產(chǎn)生不同頻率的振動［1～2］，若振動在艙內(nèi)關(guān)鍵部位發(fā)生諧振會成為重大的安全隱患。對于這類振動的準(zhǔn)確測量能夠判斷飛行過程中的異常、排除故障，進(jìn)而為飛行器的可靠性與穩(wěn)定性改進(jìn)提供有力的依據(jù)［3～4］。因此，需要設(shè)計一個高精度的多路振動采集傳輸系統(tǒng)，使得飛行器上多處測點(diǎn)的振動信能夠被精確地采集并存儲，便于故障的發(fā)現(xiàn)、排除［5］。

本文提出一種由電荷前置處理、抗飽和電荷放大、抗混疊低通濾波、ADG706 模擬開關(guān)、16 位ADC等組成的振動信號采集電路，由FPGA 作為主控制芯片控制采集過程，將采集的數(shù)字量編幀、打包、緩存，并通過以太網(wǎng)發(fā)送至防護(hù)存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。實(shí)測表明，本文基于FPGA 的高精度振動采集傳輸系統(tǒng)，在單路采樣率為20kSPS、測量范圍為±2000g 時，振動信號的采集精度可達(dá)到±0.5%，滿足實(shí)際測量需求。

2 總體方案設(shè)計

振動信號采集傳輸系統(tǒng)的總體方案如圖1 所示，系統(tǒng)主要由信號調(diào)理單元、信號采集單元、FPGA主控單元、以太網(wǎng)傳輸單元、系統(tǒng)供電單元等模塊組成。信號調(diào)理單元將振動傳感器輸出的電荷信號通過前置處理、抗飽和電荷放大及抗混疊低通濾波等電路進(jìn)行調(diào)理。信號采集單元通過模擬開關(guān)選通需要采集的通道，同時利用ADC 把該通道調(diào)理后的模擬電壓轉(zhuǎn)換為16 位數(shù)字信號，F(xiàn)PGA 主控單元讀取ROM 表控制通道選擇、AD 轉(zhuǎn)換時序，將16 位數(shù)字量通過8 位數(shù)據(jù)線分時接收并緩存入內(nèi)部FIFO。以太網(wǎng)傳輸單元將FPGA 打包好的數(shù)據(jù)傳輸至防護(hù)存儲器，在測試階段PC 上位機(jī)可通過以太網(wǎng)接口接收數(shù)據(jù)并做分析。系統(tǒng)供電單元通過LDO 線性電源將輸入的15V 電壓轉(zhuǎn)換為12V，通過DC-DC 開關(guān)電源將輸入的5V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3V、2.5V、1.8V、1.0V 為各模塊提供可靠穩(wěn)定的電源。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

3 硬件電路設(shè)計

3.1 振動信號調(diào)理電路設(shè)計

本文采用PCB 公司的壓電式加速度傳感器357B03，量程為±2000g，靈敏度為10pC/g，則產(chǎn)生的電荷量為

為了保證10 倍超量程不發(fā)生零漂現(xiàn)象，考慮冗余設(shè)計，電荷量按200000pC 計算［6］?？癸柡碗姾煞糯箅娐啡鐖D2 所示，選用低輸入偏置電流的精密放大器LMC6081AIM，減少電荷的損失［7］，該放大器使用+12V 供電，在正輸入端用兩個100kΩ電阻分壓，輸入+6V直流偏置。

圖2 抗飽和電荷放大電路

綜合考慮電荷放大電路的噪聲、漂移和下限頻率，選取電阻R1值為20MΩ，反饋電容C10選用容值穩(wěn)定性高的多層片式瓷介電容，電容值選為47nF［8］。

在采集過程中，如果噪聲信號頻率f大于等于振動信號采樣頻率fS的一半，噪聲信號就會混疊到振動信號中［9］。為了避免混疊現(xiàn)象的發(fā)生，本文使用八階抗混疊濾波芯片MAX7400。

MAX7400 可選擇用外部或內(nèi)部時鐘來驅(qū)動電路，本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘驅(qū)動，電路如圖3 所示，通過設(shè)置連接CLK 引腳的電容C21和C16的容值，將截止頻率設(shè)置為6.66kHz。截止頻率和電容容值的關(guān)系如下：

圖3 抗混疊低通濾波電路

在調(diào)理電路末端使用二階無限增益多路反饋低通濾波電路，目的是平滑開關(guān)濾波同時實(shí)現(xiàn)電壓放大。如圖4所示，通過調(diào)整電阻R2與R8的比值來設(shè)置信號的放大倍數(shù)，運(yùn)放AD8608 的偏置電壓設(shè)計為2.5V，放大后的交流信號幅值約為±2.08V，調(diào)理電路最終輸出為0.42V～4.58V。

圖4 二階無限增益多路反饋低通濾波電路

3.2 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

AD轉(zhuǎn)換芯片選用ADI公司的S AR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7667，該芯片是一款高速16 位分辨率的ADC，最高采樣率為1MSPS［10］。AD7667 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖5 所示，由于AD7667 模擬輸入電壓變化范圍為0～2.5V，而調(diào)理后的振動信號為0.42V～4.58V，所以在輸入端電阻R183和R185分壓將信號幅值調(diào)至0.21V～2.29V。

圖5 AD7667模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

為了快速補(bǔ)充模數(shù)轉(zhuǎn)換時消耗的能量，在ADC輸入引腳與參考地之間加入電容C210，容值為2.7nF；同時為了避免電容在充放電過程中引起的信號振蕩，設(shè)置電阻R184進(jìn)行隔離，阻值設(shè)置為15Ω。C210與R184構(gòu)成一階低通濾波器，截止頻率f0=1/2πRC=3.99MHz，能夠抑制帶外高頻噪聲，保證AD7667的高信噪比。

FPGA 通過驅(qū)動CNVST 引腳來啟動AD 轉(zhuǎn)換，驅(qū)動CS 和RD 來使能總線接口，驅(qū)動BYTE 來控制高低8 位字節(jié)的輸出，通過字節(jié)的分時輸出可以簡化線路。

3.3 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計

以太網(wǎng)接口用于將FPGA 編幀打包后的數(shù)據(jù)傳輸至防護(hù)存儲器或上位機(jī)進(jìn)行儲存。設(shè)計選用W5300 百兆以太網(wǎng)芯片，如圖6 所示，F(xiàn)PGA 的I/O口分別與W5300 的16 位數(shù)據(jù)接口、10 位地址接口及控制接口相連接，F(xiàn)PGA 通過寄存器尋址方式訪問W5300。

圖6 以太網(wǎng)接口電路框圖

在RJ45接口與W5300信號輸出端之間增加隔離變壓器，可將W5300 發(fā)送的差分信號進(jìn)行線圈耦合濾波后，起到增強(qiáng)信號的作用，同時能夠抑制阻帶信號的傳輸，增強(qiáng)抗干擾能力［11］。

4 FPGA關(guān)鍵邏輯設(shè)計

4.1 FPGA頂層邏輯設(shè)計

如圖7 所示，F(xiàn)PGA 內(nèi)部主要由AD 控制模塊、總線控制模塊、時鐘模塊、ROM、異步FIFO 等組成。輸入端為時鐘、AD采集數(shù)據(jù)以及復(fù)位，輸出端為16位數(shù)據(jù)輸出、AD控制IO、模擬開關(guān)控制IO、開關(guān)選通地址。

圖7 采集傳輸系統(tǒng)FPGA邏輯框圖

時鐘模塊使用FPGA 內(nèi)部IP 核Clocking wizard，時鐘模塊配置為MMCM（混合模式時鐘管理）模式，有效對外部輸入的40M 時鐘進(jìn)行去抖動、去偏斜。ROM 和異步FIFO 均使用IP 核Block Memory Generator 實(shí)現(xiàn)，其中ROM 設(shè)置為單端口ROM、寬度8 位、深度1024，加載入預(yù)先寫好的初始化文件；異步FIFO 設(shè)置為雙端口、寬度8 位、深度2048，這里讀速度＞寫速度，F(xiàn)IFO 達(dá)到半滿狀態(tài)數(shù)據(jù)被讀走。

在采集時序的設(shè)定下，AD 控制模塊向ROM 發(fā)送讀時鐘、讀地址，依次循環(huán)讀取ROM 中數(shù)據(jù)，讀取的16 位數(shù)據(jù)賦值給AD 轉(zhuǎn)換器控制引腳、模擬開關(guān)控制引腳、模擬開關(guān)選通地址來控制AD 轉(zhuǎn)換器和模擬開關(guān)完成所有通道振動數(shù)據(jù)的采集。同時，AD 控制模塊將AD 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫入異步FIFO，并將寫地址發(fā)送至總線控制模塊，作為總線控制模塊判斷FIFO 半滿的依據(jù)。總線控制模塊將寫地址與讀地址做差，若差值?≥1024 達(dá)到半滿狀態(tài)，則開始以1MB/s 的速率讀出數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)總線。

4.2 采樣時序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集過程的可靠性，需要設(shè)計合理的幀格式及采集時序，采集過程要嚴(yán)格按照幀格式和采集時序規(guī)定的順序?qū)斎胄盘栠M(jìn)行均勻采樣。

本文的采集系統(tǒng)共對14 路振動信號進(jìn)行采集，S1～S10 為10 路采樣率為20kHz 的高頻振動，H1～H4 為4 路采樣率為10kHz 熱顫振。14 路采樣通道的總采樣率為240kSPS，由于數(shù)據(jù)幀需要添加幀頭幀尾以及幀計數(shù)，所以采集系統(tǒng)的總采樣率為280kSPS。數(shù)據(jù)幀格式如表1 所示，可以看出在幀頭EB90 與幀尾146F 之間，每個采樣通道的采樣點(diǎn)都是均勻分布的，實(shí)現(xiàn)了對各通道均勻采樣。采樣通道的切換通過讀取ROM 表的方式，按照幀格式將切換邏輯進(jìn)行16進(jìn)制編碼后存儲于ROM中，F(xiàn)PGA控制讀地址遞增依次讀取ROM表中的值。

表1 采集數(shù)據(jù)幀格式

采集系統(tǒng)總采樣率為280kSPS，則每個通道的最大采樣時間為

如圖8 所示為采樣控制邏輯時序圖。在一個采集周期中，CNVST 信號首先拉低啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換，保持T1（≥10ns）時間后拉高［12］，在CNVST 拉低延遲T2時間后BUSY 信號拉高表示數(shù)據(jù)正在被處理。當(dāng)檢測到BUSY 信號的下降沿時，表明數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)換完成發(fā)送至輸出端口寄存器，同時ROM 讀地址加1，為下一次轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。

圖8 采樣控制邏輯時序圖

RomAddr 保持T3時間后，ROM 讀時鐘拉低將該地址存放的數(shù)據(jù)讀走，F(xiàn)PGA 將部分?jǐn)?shù)據(jù)位賦值給AD_CS完成AD轉(zhuǎn)換器片選，間隔T5時間后模擬開關(guān)使能信號K_EN 以及切換地址SwAddr 被賦值。BYTE 初始為高電平在AD_CS 拉低T4時間后變?yōu)榈碗娖剑ㄟ^高低電平的切換控制AD 轉(zhuǎn)換器輸出高8位與低8位數(shù)據(jù)。

5 測試結(jié)果

5.1 采集精度測試

為了測試系統(tǒng)采樣的精度，本測試使用高精度電荷源向輸入頻率1kHz、不同幅值的正弦電荷信號，將某一路采集數(shù)據(jù)的分層值與電荷量進(jìn)行最小二乘法數(shù)據(jù)擬合，如圖9所示為數(shù)據(jù)擬合曲線。

圖9 數(shù)據(jù)擬合曲線

擬合公式為Y=AX+B，其中X 為數(shù)字量分層值，Y 為電荷量，將擬合后得到的斜率A=0.30179、截距B=-10302 輸入上位機(jī)繪圖軟件。如圖10 所示，軟件依據(jù)采集數(shù)據(jù)分層值可得振動波形圖。

圖10 振動波形圖

選取振動波形圖中5 個波峰值，分別與標(biāo)準(zhǔn)輸入波峰值作差為Δ，如表2所示，選取最大的Δ值，根據(jù)式（3）計算得振動2000g 滿量程情況下采集精度在±0.5%之內(nèi)，優(yōu)于設(shè)計要求。

表2 振動信號采集數(shù)據(jù)

5.2 數(shù)據(jù)可靠性驗(yàn)證

數(shù)據(jù)幀的可靠性是采集系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵，為了確保數(shù)據(jù)在編幀、打包、傳輸各環(huán)節(jié)的正確性，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行幀格式驗(yàn)證、誤碼率檢查。圖11 為采集系統(tǒng)解包后的部分?jǐn)?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。

圖11 解包后數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

由圖11 原始數(shù)據(jù)可知，幀頭標(biāo)識為EB90、幀尾標(biāo)識為146F、幀計數(shù)逐一遞增、有效數(shù)據(jù)位數(shù)正確，通過調(diào)整數(shù)據(jù)幀的顯示參數(shù)，使幀頭對齊可以快速判斷是否存在多數(shù)與少數(shù)的情況。此外，通過上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)校驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)多數(shù)與少數(shù)。

FPGA 內(nèi)部產(chǎn)生遞增數(shù)并向外發(fā)送，通過上位機(jī)接收并檢驗(yàn)遞增數(shù)的正確性來判斷。

6 結(jié)語

為了滿足飛行器飛行過程中的振動監(jiān)測需求，本文設(shè)計了一種基于FPGA 的高精度振動采集傳輸系統(tǒng)，完成了14 路振動信號的采集。在采樣率20kSPS、滿量程±2000g 條件下，采集精度優(yōu)于±0.5%，并對數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某飛行器飛行試驗(yàn)，工作性能穩(wěn)定。