（电磁场与微波技术专业论文）基于fpga的多通道数字位移传感器系统的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 数字位移传感器由于其信号的易处理特性，被广泛的应用于各个方面。对数 字位移传感器的特性研究以及后期数据处理上，传统的方式是通过单片机来实 现。由于单片机的接口固定，管脚不足以及无法实现复杂算中的一些并行计算， 使得传统的利用单片机进行数字位移传感器的研究中出现了很多无法满足需求， 测试精度不足的情况，导致对数字位移传感器的应用方面有所不足。 由于f p g a ( f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 内部结构的灵活性，以及内部 资源的多样性，使得利用f p g a 进行数字位移传感器的研究成为一种有效的新方 法。不同于单片机，f p g a 的管脚资源十分丰富，并且许多管脚资源可以根据功 能需求进行自定义，使得f p g a 能够针对传感器的研究特性，与传感器的外围辅 助设备进行灵活的通信，保证通信的同步性以及可配置特性。不同于单片机的指 令执行方式，f p g a 通过内部综合成的逻辑电路来实现各种功能，使得具有同步 关系的功能点能够同步执行，这使得传感器的数据融合能够跟精确的实现。在算 法处理方面，由于f p g a 内部集成了高精度的数字信号处理硬核，能够方便的实 现定点以及浮点运算，这些数字信号处理硬核配合着内部灵活的控制逻辑进行应 用，能够实现各种复杂的算法。 本文通过使用f p g a 来对多通道数字位移传感器进行研究，利用f p g a 接口的 灵活特性，实现以f p g a 为主，外部辅助设备为辅的研究方式，来研究多通道数 字位移传感器的静态特性。在对静态特性进行了详细的研究之后，结合所研究的 静态特性，利用f p g a 对多通道数字位移传感器进行了一套产品化的设计方案， 将数字位移传感器的最终输出结果量化，实现了f p g a 对多通道数字位移传感器 全方位的研究。 关键词f p g a ；多通道数字位移传感器；静态特性：数据采集与处理；仿真分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t d i g i t a ld i s p l a c e m e n ts e n s o r sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nv a r i o u sa r e a sf o rt h e i r c h a r a c t e ro fc o n v e n i e n tp r o c e s s t h et r a d i t i o n a lw a yi nr e s e a r c ho ft h ec h a r a c t e ro f d i g i t a ld i s p l a c e m e n ts e n s o r sa n dt h ed a t ap r o c e s si s a c h i e v e db ym i c r o c o n t r o l l e r h o w e v e r t h e r ea r e m a n y o fp r o b l e m si n r e s e a r c h i n g t h ec h a r a c t e ro f d i g i t a ld i s p l a c e m e n ts e n s o r sf o rt h ef i x e di n t e r f a c e ，b e i n gl e s sp i n sa n db e i n gl a c ko f a b i l i t yi np r o c e s s i n gc o m p l e xc o m p u t i n g ，s u c ha sb e i n gl a c ko fr e q u i r e m e n ta n d p r e c i s i o nb yu s i n gm i c r o c o n t r o l l e r t h e s ed i s a d v a n t a g e sm a k et h el e s su s eo f d i g i t a ld i s p l a c e m e n ts e n s o r s t h ef l e x i b l e i n t e r n a ls t r u c t u r ea n dp r o l i f i ci n t e r n a ll o g i cr e s o u r c e so ff p g a ( f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) m a k e si t t ob can e ww a yo fr e s e a r c h i n go ft h e c h a r a c t e ro fd i g i t a ld i s p l a c e m e n ts e n s o r s f p g ai sd i f f e r e n tf r o mm i c r o c o n t r o l l e ri n m a n yp o i n t s ，f p g ah a sp r o l i f i cp i n sa n dm a n yo ft h e mc a nr e d e f i n e db yu s e r a c c o r d i n gt ot h e i rd e m a n d s ，i tm a k e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne x t e r n a le q u i p m e n t s a n df p g am o r ef l e x i b l ea n di tg u a r a n t e et h es y n ca n dc o n f i g u r a b l eo fc o m m u n i c a t i o n f p g ac a ni m p l e m e n tv a r i o u sf u n c t i o n sb yi n t e r n a ll o g i cc i r c u i t sc o m p a r e dw i t ht h e w a yo fi m p l e m e n tb yc o m m a n do fm i c r o c o n t r o l l e r , i tm a k e st h es y n ci m p l e m e n to f m a n yf u n c t i o n s ，a n di tp r o c e s sm o r ea c c u r a t ef u n c t i o no fd a t af u s i o n m e a n w h i l e ， f p g ac a ni m p l e m e n te a s i l yf i x e d - p o i n ta r i t h m e t i ca n df l o a t p o i n ta r i t h m e t i cf o r o w n i n gt h eh i g h - p r e c i s i o nd i g i t a l d a t ap r o c e s sh a r d - c o r e ，a n dt h eh a r d - c o r ec a n i m p l e m e n tv a r i o u so fc o m p l e xa r i t h m e t i cc o o r d i n a t eo ff l e x i b l ec o n t r o ll o g i c t h i sp a p e rs t u d i e daw a yt or e s e a r c hm u l t i c h a n n e ld i g i t a ld i s p l a c e m e n ts e n s o r s b yu s i n gt h ef l e x i b l ec h a r a c t e ro ff p g a si n t e r f a c e ，a n ds e tu pa na r c h i t e c t u r ew h i c h t h em a j o ri sf p g aa n dt h em i n o ri se x t e r n a le q u i p m e n t ，t h ea r c h i t e c t u r ei su s e dt o r e s e a r c ht h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i - c h a n n e ld i g i t a ld i s p l a c e m e n ts e n s o r s o n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第fii 页 t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c si sf i n i s h e d ，a d e s i g n t om a k et h em u l t i c h a n n e l d i g i t a ld i s p l a c e m e n ts e n s o r sb e i n gp r o d u c ti sm a d eb yu s i n gs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e d e s i g ni sa i m e dt om a k et h eo u t p u to fd i g i t a ld i s p l a c e m e n ts e n s o r sq u a n t i f i e d ，a n d m a k eac o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho fm u l t i - c h a n n e ld i g i t a ld i s p l a c e m e n ts e n s o r s k e y w o r d s ：f p g a ；m u l t i - c h a n n e ld i g i t a ld i s p l a c e m e n ts e n s o r s ；s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ： d a t ac o l l e c t i n ga n dp r o c e s s ；s i m u l a t i o na n da n a l y z e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 位移传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，传感器技术是实现测 试与自动控制的重要环节。在传统的传感器研究当中，以各种以模拟信号输出的 位移传感器为主，对这类传感器的工作原理以及特性进行了分析说明。然而，随 着工业的不断发展，要求各种传感器具有智能一自诊断，自识别以及自决策功 能，要实现这些功能，则必须要配合一些控制器核，比如专用集成电路( a s i c ) ， 或者专用指令处理器( a s i p ) 等。由于模拟信号相对于数字信号而言，处理起来 更加的复杂，而且抗干扰能力相对于数字信号而言，也比较弱，因此，数字位移 传感器在未来的应用性上，具有更好的适应能力。 对于一个系统而言，为了更加准确利用数字位移传感器测试位移量，往往需 要在一个系统中加入多个数字位移传感器，这样通过数据对比，得到更加准确的 位移。同时，需要考虑到温度对传感器的影响，还需要在系统中加入温度传感器， 从而使得位移传感器能够随着温度的变化而做出适当的调整，保证输出数据的精 确与正确性。基于上述的要求，要求系统内部含有多个传感器，并且传感器的测 试量是不同的。 当前传感器的数据采集方式主要以微控制器或者微处理器进行采集；由于控 制器的接口限制，无法在同一时刻对多个传感器的数据进行采集；如果同时使用 多个微处理器对多个传感器进行数据采集，一方面使得系统成本增加，另一方面 对采集的数据进行整合的时候，需要采取相应的比较繁琐的整合方案，这样不利 于对于数据的分析，特别是在需要进行数据融合的地方，无法保证采集数据具有 同一个时间坐标。 传感器的数据形式是多种多样的，对传感器的控制信号也是形式多样的，这 就要求传感器的控制系统具有很强的灵活性。在对不同的传感器进行控制时，要 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 求不同的操作步骤。如果采用传统的以微控制器或者微处理器为主的系统，由于 针对不同的操作步骤具有先后次序，导致采集数据具有先后次序，从而无法保证 数据的实时性，同时，操作起来也相当复杂。 在对传感器的特性进行测试的时候，传感器外部需要连接多种辅助设备，比 如在进行数字位移传感器静态特性研究的过程中，如果需要对移动位移进行精确 控制，则需要连接运动设备；如果需要对外部数据进行同步采集，则需要连接温 度传感器；如果需要对后期数据进行d s p 处理，则需要连接响应的d s p 设备等等， 当外部需要连接众多设备的时候，就需要对这些设备进行灵活的控制以及同步操 作，同时为了保证时间的响应满足系统要求，就需要一些并行的控制行为。传统 单片机由于接口已经确定( 多为i z c 接口，u a r t 接口，s p i 接口) ，无法灵活的 对各种接口协议进行相应的控制，并且多数都无法实现并行的操作，因而传统的 单片机是无法满足上述的要求。 传感器的产品化，考虑到传感器在不同的应用环境中要保持准确的输入以及 输出，必然会要求传感器系统当中加入一些比较复杂的算法。这些算法的实现方 式多种多样，比如单片机实现；数字信号处理器来实现等方式。然而系统对于算 法的要求不仅仅是计算是否能够满足，更需要考虑处理时间以及成本问题。传统 单片机由于是无法采用并行的处理机制，在对算法的运算方面需要消耗较多的时 间，数字信号处理器虽然在计算复杂算法方面有着优势，但是往往一片数字信号 处理器需要耗费较大的成本。 综合上述的各种问题，基于传统单片机以及数字信号处理器的传感器系统设 计方案是无法满足各种需求的，因而需要一种高效的器件以及方法来对传统的传 感器研究进行改进。 f p g a 具有丰富的i o 资源，一般可用的i o 资源至少上百个，这就意味了 f p g a 可以与相当可观的传感器进行连接。f p g a 的内部结构由各种基本逻辑单元 组成，这些基本逻辑单元的连接方式是多种多样的，根据需要可以进行各种配置， 因而可以灵活的实现各种逻辑功能。不论是较简单的u a r t 接口协议，s p i 接口 协议，还是复杂的u s b 协议，p c i 协议，都可以通过对f p g a 内部各个逻辑单元 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的合理连接来实现。随着半导体技术的不断发展，f p g a 的处理速度也不断的提 高，加之f p g a 内部存储容量的不断扩展，f p g a 能够以更快的频率处理各种数据 信号。同时，现在的f p g a 内部可以集成进行复杂运算的d s p 核，通过这些核， 能够方便并快捷的实现各种复杂的运算，当然，同直接使用一些现成的数字信号 处理器芯片相比，用f p g a 实现一些算法会产生较复杂的控制电路，但是f p g a 有着成本的优势，在综合考虑效率与成本的情况下，f p g a 是更好的选择。 1 2 研究意义 f p g a 具有丰富的i o 资源，一般可用的i o 资源至少上百个，这就意味了 f p g a 可以与相当可观的传感器进行连接。f p g a 的内部结构由各种基本逻辑单元 组成，这些基本逻辑单元的连接方式是多种多样的，根据需要可以进行各种配置， 因而可以灵活的实现各种逻辑功能。不论是较简单的u a r t 接口协议，s p i 接口 协议，还是复杂的u s b 协议，p c i 协议，都可以通过对f p g a 内部各个逻辑单元 的合理连接来实现。随着半导体技术的不断发展，f p g a 的处理速度也不断的提 高，加之f p g a 内部存储容量的不断扩展，f p g a 能够以更快的频率处理各种数据 信号。同时，现在的f p g a 内部可以集成进行复杂运算的d s p 核，通过这些核， 能够方便并快捷的实现各种复杂的运算，当然，同直接使用一些现成的数字信号 处理器芯片相比，用f p g a 实现一些算法会产生较复杂的控制电路，但是f p g a 有着成本的优势，在综合考虑效率与成本的情况下，f p g a 是更好的选择。 1 3 本文的主要工作 本文利用f p g a 对多通道数字位移传感器进行研究，其研究范围包括传感器 的静态特性，传感器数据的处理，从而建立起数字位移传感器的特性模型，并将 传感器进行模块化设计，是传感器在特性明确的前提下，有着更广泛的应用。 本文的内容安排如下： 第一章分析了在传感器领域中，传统的以单片机为主的研究方式的局限性， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 并与以f p g a 为主导的研究方法进行比较，表现出f p g a 在传感器研究领域方面的 重要性。 第二章介绍了多通道数字位移传感器的设计原理以及设计结构。 第三章介绍了如何对多通道数字位移传感器进行数据采集以及编码。由于多 通道传感器的特殊性，需要对采集的架构进行合理设计，同时，为了使多通道数 字位移传感器能够很好的适应系统，对编码也必须要有严格的要求。 第四章介绍了对编码后的数字位移传感器的数据处理方法。数字位移传感器 在数据采集的过程中，其采集的数据仅仅定性的反映了位移的改变情况，如果需 要数字位移传感器很好的适应于系统，还需要多编码后的数据进行处理。处理的 方法包括滤波，标度变换以及数据拟合。 第五章介绍了利用f p g a 对数字位移传感器进行静态特性的研究方法，并对 静态特性进行了详细的分析。 第六章介绍了为了让数字位移传感器的数据特性适合系统，用f p g a 对数据 进行了处理，使得数字位移传感器与f p g a 很好的构成了一个定量反映位移变化 的系统。 最后针对f p g a 与多通道数字位移传感器之间的关系，总结了f p g a 在研究多 通道数字位移传感器方面的重要性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章多通道数字位移传感器原理 2 1 电涡流传感器的原理 电涡流的产生原理如图2 1 所示： j l m 一 o 一 1 i i l 嘲 t - 图2 一l 电涡流产生原理 当线圈中通过变化的电流的时候，在线圈的内部以及周围会产生随之变化的 磁场，该磁场随着电流强度的上升而加强，随着电流强度的下降而减弱。将一块 金属板放置在线圈的下方，由线圈产生的变化的磁场会导致金属板的表面产生感 应电流，由于该电流犹如一个封闭的圆圈环绕着，因而将此种现象称为电涡流。 由线圈产生的电涡流的方向与线圈中电流的流动方向相反，因而对应的电磁场方 向与线圈产生的方向相反，该磁场会阻碍线圈产生的磁场的变化，进而减小先圈 内的磁通量，进而改变线圈的电阻抗，从而通过测量线圈电阻抗的变化就可以测 得相应的物理量的变化。 线圈与电涡流的等效电路图如2 - 2 所示 m 图2 - 2 电涡流等效电路 r 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 由敏感线圈与金属板构成的等效电路可以等效成一个空气耦合的变压器，其 中线圈等效为初级线圈，金属板的涡流回路可以等效为次级线圈。m 代表线圈与 金属板之间的距离。 由上图可以得到等效电感和等效电阻分别是： m 一南厶 协。) r = r + 焉r ： c 2 2 ， 对应的品质因数改变为： 糍 协3 ) 上述参数的改变会直接影响到线圈中电流以及电压的改变，通过测量这些改 变值，就可以测试对应的物理量的变化。 q 值越高，则表示由线圈和金属板构成的电路越接近于纯电感，具有测量精 度高，稳定性好的特点。 由上图可以知道，电涡流可以等效为一个串联的电感与电阻组成的电路，该 电路的参数不仅取决于线圈所产生的磁场，也取决于金属板的材料硷1 。 由线圈产生的电涡流主要集中在靠近激励线圈的金属表面，电涡流的的强度 会随着透射深度的增加而呈指数衰减，该现象被称为趋肤效应。电涡流的趋肤效 应与线圈的电流频率，金属板的电导率以及磁导率相关，一般定义电涡流衰减到 表面电涡流强度的3 7 的透射深度为标准透射深度，它们的关系如下所示： 如5 。长沼4 ， 其中：p 为材料的电阻率；f 是线圈的电流频率；是金属板的导磁率。根 据上面的公式，可以得到： ( 1 ) 透射深度会随着频率上升而下降： ( 2 ) 透射深度会随着电阻率上升而上升； ( 3 ) 透射深度会随着磁导率的上升而下降； 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 由此可以知道：为了增大测量的灵敏度，理想的电涡流传感器的磁场不应该 穿透目标物。因而在进行位移测量的时候，电涡流传感器的目标物体最好采用高 电导率，低导磁率的金属。 综上所述，在设计电涡流传感器的时候，需要考虑到一下几个因素b 1 ： ( 1 ) 材料的电导率。材料的电导率会直接影响电涡流，电导率越高，表面的电 涡流越强。材料的电导率可直接用电涡流技术进行测量。此外，利用电导率，还 可对导致材料电导率发生变化的一些因素进行检测，如材料成分，热处理情况， 加工硬化等。 ( 2 ) 材料的磁导率。磁导率反映材料被磁化的容易程度。对于非铁磁性金属， 如铜，青铜，铝等，以及奥氏体不锈钢，其导磁率与真空相同，即相对磁导率为 1 对于铁磁性材料，相对磁导率可能为数百，对电涡流响应的影响非常显著。此 外，金属的磁导率一般不会因局部应力，热效应等发生显著改变。 ( 3 ) 工作频率。电涡流检测的效果对工作频率非常敏感，但是工作频率是可以 人为控制的，可以根据情况来具体的调节。 ( 4 ) 几何形状。对于实际的检测对象，如不平的表面或有限面积的表面，非理 想几何形状，如曲率，边缘，沟槽等，都影响电涡流响应。作为一项检测技术， 必须要对这些实际情况有所了解。例如，检测工件边缘的裂纹时，检测探头一般 要平行于边缘移动，以便于检测到信号中微小变化。另外，当被检测工件的厚度 小于有效透射深度时，也会对检测结果产生影响。 ( 5 ) 提离。检测探头距离被测工件表面越近，线圈所感受到的电涡流效果越明 显。这种现象所造成的影响主要体现在两方面：一是所谓的提离信号，即当探头 靠近远离表面时产生的信号变化：二是当探头与被测表面距离增加时，灵敏度 会降低。 ( 6 ) 透射深度。电涡流强度，以及对裂纹的响应强度，在被测金属表面最强， 随着深度增加而降低。电涡流的透射深度用标准透射深度来衡量，即透射深度将 随频率，电导率的增加而减小。随着磁导率的增加，透射深度也将减小，且减小 的幅度非常显著。在铁磁性材料中透射深度非常小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 多通道数字位移传感器设计原理 在传感器的应用当中，为了获得更高的测试精度以及更好的测试效果，往往 需要多个传感器同时使用，电涡流传感器阵列能够很好的满足这样的测量需求。 采用阵列式传感器，不需使用机械式探头扫描即可实现大面积范围的高速测量， 且能够达到与单个传感器相同的测量精度和分辨率，有效地提高了传感器系统 的测试速度、测量精度和可靠性，此外，传感器阵列的结构形式灵活多样，可以 应用到各个方面1 。 在设计中，使用线性阵列的电涡流传感器结构如图2 - 3 所示： 图2 - 3 线性阵列电涡流传感器结构 在基底上安装了1 0 个线圈，为了防止线圈之间出现干扰，采取了以下 几个措施： ( 1 ) 增加线圈与线圈之间的距离。通过增加线圈与线圈之间的距离，有效的防 止了线圈之间磁场的干扰； ( 2 ) 控制相邻线圈产生的磁场频率，使相邻线圈的频率不一致，相差一定的值。 ( 3 ) 基底采用绝缘材料。在设计中，采用的基底是柔性印刷电路板工艺在聚酰 亚胺薄膜上制作，有效的防止基底对于磁场的干扰。 多通道数字位移传感器的控制电路架构如图2 - 4 所示： 图2 4 多通道数字位移传感器控制电路 谐振电路由线圈，可变电容以及压控电容构成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 5 谐振电路结构 当线圈与导体之间的距离改变的时候，谐振电路的频率就会对应的进行改 变。产生的频率通过滤波器后，滤除了不期望的频率范围，然后通过锁相环将频 率进行锁定。f p g a 与单片机在这里的作用是初始化谐振电路的初始频率。在实 际的设计当中，测量精度应该小于等于0 i n u n ，则对应的谐振频率应该在几百兆 赫兹的范围，那么这就需要通过调整可变电容与压控电容来实现。可变电容通过 人的手动调整，使得频率调整到一个大致的所需范围，然后通过调节压控电容来 进行微调晦1 。人工微调是不可能的，通过f p g a 与单片机的协同合作，可进行迅 速而准确的微调。 f p g a 首先对来自锁相环的频率进行测量，如果偏离了所需的频率值，则通 知单片机对压控电容进行调整，使频率值接近额定的频率值。该过程不断重复， 直到来自锁相环的频率值到达额定值得时候。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第3 章数据采集与编码原理 3 1 s p a r t a n3 ad s p 系列的f p g a 介绍 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列， 它是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为 专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路 的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 f p g a 采用了逻辑单元阵列( l o a ，l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个新概念，内部 包括可配置逻辑模块( c l b ，c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输入输出模块( i o b ， i n p u to u t p u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。f p g a 的基本特点丰要 有： ( 1 ) f p g a 相对于a s i c 更加的灵活，用户不需要投片生产就能设计合用的芯片： ( 2 ) 在批量生产a s i c 芯片之前，可通过f p g a 进行验证： ( 3 ) f p g a 内部有丰富的逻辑资源以及丰富的管脚资源； ( 4 ) f p g a 的设计周期、开发费用以及风险相对于a s i c 芯片设计而言，有着明 显的优势； ( 5 ) f p g a 采用高速c h m o s 工艺，可以与多种电平标准兼容，具有很强的兼容 性。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度和可靠性的最佳选择之一。 目前f p g a 的品种很多，有x i l i n x 的x c 系列、t i 公司的t p c 系列、a l t e r a 公司的f i e x 系列等。 f p g a 是由存放在片内r a m 中的程序来设置其工作状态的。因此，工作时需 要对片内的r a m 进行编程。用户可以根据不同的配置模式采用不同的编程方式。 加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中的数据读入片内编程r a m 中，配置完成后， f p g a 进入工作状态。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失。因此，f p g a 能够反复使用。f p g a 的编程不需专用的f p g a 编程器，只需用通用的e p r o m 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 p r o m 编程器即可。当需要修改f p g a 功能时，只需换一片e p r o m 即可。这样， 同一片f p g a 、不同的编程数据，可以产生不同的电路功能哺3 。因此，f p g a 的使 用非常灵活。 s p a r t a n 3 a d s p f p g a 的逻辑资源相当丰富，主要的逻辑资源包括： ( 1 ) 有4 1 6 0 个可配置逻辑块，每个逻辑块包含4 个s l i c e s ，每个包含了2 个4 输入查找表l u t ，2 个d 触发器以及多个选择器以及异或门； ( 2 ) 分布式r a m 的容量是2 6 0 kb i t ，该r a m 是由逻辑块来产生，即需要消耗内 部的可配置逻辑块； ( 3 ) 块r a m 的容量是1 5 1 2 kb i t ，b r a i d 能够方便的设置为单口b r a m ，双口b r a m ， 方便了对数据的读取操作； ( 4 ) 数字处理器d s p 4 8 a 有8 4 个，每个d s p 4 8 a 能够被灵活的进行配置，从而方 便不同的计算操作，比如能够实现乘累加，定点运算以及浮点操作； ( 5 ) 数字时钟管理模块有8 个，数字时钟管理模块能够对f p g a 内部的时钟进行 优化，从而满足内部逻辑时序的一致性； ( 6 ) 用户可用的i o 口有3 0 9 个，其中可以组成1 4 0 对差分i o 口，这些i o 口可以被灵活的配置成各种电平标准，比如：3 3 vl v t t l 电平；3 3 v ，2 5 v ， 1 8 v ，1 5 v ，以及1 2 v 的l v c m o s 电平：2 5 v ，3 3 v 的l v d s ，m i n i - l v d s ，r s d s 以及p p d s 电平。同时支持d d r 2 的接口标准； 内部的逻辑资源分布如图3 - 1 所示： 吕吕国固吕昌 口口；圣liil 口口 吕吕剧斟吕吕口口uu 口口 口口口口口口厂 广 口口 图3 - 1f p g a 内部资源分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 该f p g a 的内部逻辑资源可以使用的最大频率是3 0 0 m h z ，可以方便的利用高频时 钟对数据进行采集以及处理。 3 2 多通道数字位移传感器数据采集原理 3 2 1 多路复用数据采集原理 多路复用数据采集方法是指：对于多个通道的传感器的数据采集，采用同一 个采集模块。如图3 - 2 架构所示： 图3 - 2 多路复用数据采集架构 通过架构图可以看到，n 个传感器的数据采集通过同一个数据采集模块实 现。其中数据采集模块利用了时分复用的原理，将1 1 1 个传感器的数据采集分布在 了不同的时间段，即时段1 采集传感器1 的数据，时段2 采集传感器2 的数据， 以此类推，在时段n 的时候就采集传感器n 的数据。可以用一个状态图来表示采 集的方式： 厂一、 采集传感嚣 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 通过循环调用数据采集函数来达到实现多路复用的效果，可以方便的实现。但是 如果利用f p g a 或者其它可编程逻辑来实现，则需要很好的控制采集模块与状态 转换模块之间的通讯以及时序条件，实现起来具有一定的复杂性。 在本设计中，由于使用的是f p g a 进行数据采集，如果采用多路复用的方式 进行多通道数据采集，具有以下的特点： ( 1 ) 设计复杂性提高。这是因为需要额外生成一个状态模块，用于控制状态的 转换，同时，状态模块与数据采集模块之间需要定义额外的通信信号，这就意味 着有更多的时序需要进行控制，在定程度上增加了设计的复杂性。 ( 2 ) 采集的数据不具有实时的效果。由于采用的是时分复用的方式，这就意味 着在采集a 通道数据的时候，b 通道的数据被遗漏了，导致数据传输出现滞后， 漏传的情况。对于实时性数据要求不是很高的系统而言，这种情况是可以容忍的； 但是如果一个系统对实时数据的要求很高，那么该方法显然是不可行的。 ( 3 ) 能够减少f p g a 资源的使用。由于是对同一个数据采集模块进行复用，这 就相应的减少了数据采集模块的个数，对于资源比较紧张的f p g a 而言，该方法 显然具有一定的优势。 通过对该方法的分析可知，多路复用的架构具有一定的优势，同时也具有一 定的缺陷，需要根据具体的系统来进行选择。 3 2 2 空分多路数据采集原理 空分多路数据采集方法是指：每个通道单独的使用一个数据采集模块。它的 架构如图3 - 4 所示悖1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 传感嚣4 虹1 一 i 图3 - 4 空分多路数据采集架构 通过架构图可以知道：每个传感器将传感器信号传输到对应的数据采集模 块，这就意味着在一个具有n 个传感器通道的系统中，n 个传感器的信号可以同 时被采集然后进行处理，提高了数据处理传输的速度。这是一种利用空间换取时 间的设计方式，虽然数据采集的时间上进行了很大的优化，但是所使用的资源也 相应的会增加。 利用f p g a 对此架构进行设计，主要具有以下几个特点： ( 1 ) 所使用的f p g a 资源会随着通道个数的增加而成倍的增加。由于每个传感 器通道单独使用一个数据采集模块，n 个通道需要使用r 1 个数据采集通道，假设 一个数据采集通道需要使用的资源是x ，那么对于一个有n 个通道的系统而言， 需要的资源是n x ； ( 2 ) 数据采集处理的时间相比于多路复用的采集方式而言，会大大减小。假设 多路复用方式处理具有n 个通道的系统所需时间是t ，那么该方式处理同样系统 所需的时间就是1 t ，具有很好的实时性； ( 3 ) 设计的复杂度降低。由于该设计方式只是对同一个模块进行的n 次复用， 相对于多路复用的方式而言，减少了很多控制上的逻辑，大大的降低了设计的复 杂性； 3 3 数字位移传感器频率一编码原理 位移传感器传输出来的信号是由方波频率信号构成的，该信号不能直观的表 当丑銎|当墨 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 现出位移的改变与信号改变之间的关系，为了很好的得到位移的改变与频率改变 之间的关系，需要对频率进行编码，转换成可方便观察与读取的数据形式。 现在，有很多关于电信号的频一时域参数的转换和测量的方法，丰要有： ( 1 ) 测量时间间隔的瞬时频率间接计数法旧3 ； ( 2 ) 插补法( 模拟和数字插补) n0 | ： ( 3 ) 单游标测量法或多游标洲量法。在此基础上开发了很多频率测量，相位和 其他值的新测量方法： ( 4 ) 延迟重合和附加通道测量法1 ： ( 5 ) 基于直接计数法和间接计数法的特殊方法，可以确保：直接测量，包括低 频和亚低频测量，跟踪模式；权平均；频率测量，具有抗干扰性；增加静态和动 态测量精度：通过信号求导测量瞬时频率；频率测量范围扩大，参数适应性及其 他性能： 由于f p g a 对频率信号的处理十分的灵活，可以对频率信号进行边沿检测， 周期计数以及逻辑运算等操作，所以在设计中，主要运用了两种检测方式：标准 的直接计数法和间接计数法( 周期法) ，下面对这两个方法进行详细的讲解。 3 3 1 标准直接计数法 标准的直接计数法的；! ! 1 1 0 量原理如图3 5 时序图所不： 1j1一 nn 几门n 几几几nn 几几几nn 几几几n 门几n 几几几几nn 几几n 几 f 一厂二= 羔二二卜 图3 - 5 直接计数法时序图 其中，c 代表待测的频率周期，t o 代表基准频率周期。具体的测量方式是： 在给定时间周期t o 里，测量待测频率周期的个数m ，最后的编码结果就是m ， 转换结果的计算公式为 m = 瓦e = 瓦六 ( 3 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 然而在实际中，由于待测信号与基准信号在时序上会存在不同步的情况，导 致定的误差存在。如图3 6 误差时序图所示： 图3 - 6 直接计数法误差时序图 假设利用f p g a 对待测频率的上升沿进行检测，从而来计数，那么图中瓦内 所包含的上升沿个数就是实际的计数的上升沿个数m ，所测得的基准周期长度 是： t o2m ( 3 2 ) 通过时序图可以知道，实际上基准频率的周期长度不是上述的t o ，而是图中 的东，即实际的测试中会存在误差弛和f 2 ，所以实际的测量时间是 t o2 瓦+ 她一必 ( 3 3 ) 因此 m = t o z + ( ，l a t 2 ) i t , ( 3 4 ) 兀= m 瓦一f l + a t 22m l + a t = m c 土g ( 3 5 ) 误差她和，2 会随着时序的不一致而不一致，这两个误差是相互独立的，变 化范围是0 c ，由不同步引起的最大相对量化误差为n 2 1 铲击2 土去 6 ， 由上述公式可以看到：量化误差同待测频率以及基准周期相关，因此为了尽 可能的降低量化误差，所采用的基准周期需要加长，同时如果待测频率越大，则 误差越小，反正，误差则会越大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 3 3 2 间接计数法( 周期测量) 间接计数法的时序原理图如图3 - 7 所示： ， t i i 下一 _ _ ，一 图3 - 7 间接计数法时序图 其中i 是待测频率周期，t o 是基准频率周期。在待测频率的单周期时间内， 对基准周期的个数进行计数，所得的结果就是编码结果，计算公式如下所示： m = 以瓦= 矾l ( 3 7 ) 其中，n 是待测信号的周期个数；m 是所在1 3 个待测信号的周期内，所测 得的基准周期的个数。 在实际的编码过程中，会存在一定的误差，这些误差主要来源于待测信号与 基准信号之间的相位差，如图3 8 所示： 图3 - 8 间接计数法相位差时序图 上图显示的是在测试过程中的量化误差，用公式可以表示成 t = ( m 一1 ) t o + a t i + ( 瓦一t a 2 ) = m 瓦+ 她一a t 22u , t o g ( 3 8 ) 在实际的编码的过程中，待测信号与基准信号之间的相位差是随机分布的， 呈等概率不对称分布，形( ，1 ) 是误差a t i 的误差分布，w ( 6 t ：) 是a t 2 的误差分布， 概率都是l t o ，数学期望( 平均值) 为 m ( a t i ) = o 5 t o m ( a t 2 ) = 一0 5 v o ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 由于误差a t ，和，2 服从均匀分布定律，累加的随机系统量化误差幻由独立 的分布误差之和确定n 钔，此误差的最大值为 a , a u = r o ( 3 1 1 ) 按照三角形分布定律形( g ) 分布，数学期望为0 ，即 m ( a q ) = m ( a t l ) + m ( a t 2 ) = 0 ( 3 1 2 ) 离差为 。( 缸) - d ( 蚴= 。( ，) 2 等 ( 3 - 1 3 ) 由于分布定律( 卸) 对称，均方根误差符合标准偏差，即 柏) - 瓜丽= 愤i t 2 + 吉t , = 专 ( 3 - 。4 ) 由上述的误差公式可以知道：误差的大小与基准信号的周期( 频率) 相关： 周期越小( 频率越大) ，则误差越小。因而使用该方法测量待测信号的时候，需 要利用频率高的待测信号。 由于该方法对于基准频率的要求是越高越好( 在器件能够接受的范围内) ， 所以能够较实时的测试并输出待测信号的测量结果。 3 3 3 测量过程中所使用的频率一编码转换方式 在实际的设计当中，编码的选择由信号的特性决定。设计中，输出的位移频 率信号较低，只有几百千赫兹，如果采用直接计数法，那么需要的基准频率大小 应该小于待测频率的大小，同时，为了保证测试的精度，一次性所需要测试的待 测越多越精确，按照最低1 0 0 个待测频率周期的精度进行测试，则一次完整的测 试需要的时间大概是l m s 左右，这个测试时间对于实时性要求不是很高的系统而 言，也许是可以接受的，但是对于实时性要求很高的系统而言，由于输出的信号 已经不是当前的位移信号，而是滞后了多个周期的信号，所测得结果不是十分的 准确。如果考虑到f p g a 内部对该信号的产生与使用，所产生的低于待测频率信 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 号的基准信号，在f p g a 的内部是不会经常使用到的，这对于全局时钟有限的f p g a 器件而言，是一种浪费! 如果采用间接计数法，则f p g a 需要产生一个频率高于待测频率的信号，在 实际的应用当中，采用的f p g a 型号是s p a r t a n3 ad s p ，该f p g a 能够支持最大 3 0 0 n o l z 的时钟，因此，产生一个高于待测信号频率的时钟，f p g a 能够很好的满 足。同时，如果所产生的高频信号在满足了测量待测信号的前提下，又能够满足 内部处理的需求，也就意味着所产生的用于测量待测信号的时钟既可以测量待测 信号，又可以驱动内部的处理逻辑，就可以很好的节省f p g a 的全局时钟资源。 在实时性方面，利用间接计数法可以很好的反映待测信号每个周期的特性，因而 可以实现对待测信号的每个周期进行一次编码并输出，很好的实现了实时性。然 而，利用间接法也存在着一些缺陷：对于一些对用电量和发热性较高的系统而言， 相对于直接法而言，该方法的用电量更高，同时发热明显高于直接法。这是因为 使用了高频，f p g a 内部的触发器的状态转换十分频繁，因而需要消耗更多的能 量。 综合上述的分析，直接法与间接法的区别可以用如表1 所示： 表l 直接法与间接法对比表 一： 直接法编码方式间接法编码方式 特性 实时特性实时性差实时性好 能源消耗特性较低较高 发热特性较低较高 有一定的时钟资源浪 较好的充分利用时 f p g a 资源使用特性 费钟资源 精确特性较低较高 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 上述表格很好的反映了两种编码方式的各种特性对比。 在实际的设计中，对于实时性的