【《基于光纤传输的多路AD转换器设计案例》5000字】

基于光纤传输的多路AD转换器设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u10578基于光纤传输的多路AD转换器设计案例 1176501.1多路AD转换器整体结构 1209191.2高压侧采集信号的处理 2260251.2.1信号调理放大电路 2121571.2.2V/F转换电路 3255261.3信号的传输 4270991.3.1电光转换发射电路 4100271.3.2光电转换接收电路 560001.4低压侧接收信号的处理 6183611.4.1等精度频率测量模块 616701.4.2FIFO缓存模块 887891.4.3串口发送模块 11多路AD转换器整体结构对电力变压器的诸如温度、局部放电等特征量的监测都需在高压侧放置检测装置，同时还需将传感器输出的电压、电流等模拟量转化为数字量，而由于电力变压器高压侧强电场和强磁场的存在，很难直接对其进行AD转换。考虑到光纤传输系统对强电场、强磁场的极佳的抗干扰能力，论文采用高压侧进行信号采集，通过光纤进行传输，在低压侧进行数据处理的方法对电力变压器高压侧的多种传感信号进行多路AD转换。图41信号采集与处理系统整体原理框图论文以四路信号为例进行AD转换设计。在高压侧，对采集到的每一路电流信号进行I/F转换，生成对应的方波频率信号，电光转换后通过光纤传输。在低压侧，通过光电转换后，将光信号还原为相应的方波频率信号。利用FPGA同时计量多路方波频率信号的频率值，将计量结果缓存至FIFO，再由串口输出至ZigBee终端。高压侧采集信号的处理论文以传感器输出电流信号为例，通过采样电阻对电流信号进行采样。由于传感器输出的电流信号通常较小，为mA级信号，因此为使得后续信号处理电路正常运行，还需要对信号进行放大。对电流信号采样电路而言，由于采样电阻串联在原电路中，过大的采样电阻可能会对原电路的正常运行产生影响。同时，由于传感器输出电流信号较小，若采样电阻过小，可能会使得放大后的信号不能足够大于运算放大器的失调电压从而影响电路精度。综上，采用20Ω的采样电阻。信号调理放大电路经过20Ω采样电阻采样后，为防止输入电流过大损坏放大电路，采用限流电阻和反向并联的二极管组成保护电路。采样到的信号较为微弱，需要将其进行放大，但如果仅选择一级放大器会同时将信号中的噪声过分放大，因此，本文采用两级串联比例放大器并通过深度负反馈电路和滤波电路来减少干扰和失真。论文选取低成本、低零漂、高精度的AD8574芯片组成放大电路，其失调电压仅为1μV。采用AD8574-A和AD8574-B组成两级比例放大电路，同时为保证放大电路的精度，放大器的同相输入端连接2.5V精准电压。电路原理图如图4-2所示：图42信号放大调理电路原理图V/F转换电路传感器输出电流信号经信号调理放大电路后得到电压信号，为更好的实现光纤传输，将其转换为对应的由高低电平组成的频率信号ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>罗俊仪</Author><Year>2011</Year><RecNum>46</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>46</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sfa0z0eflpr9dbe20pt555r5a5exp9sde9v5">46</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>罗俊仪</author></authors></contributors><auth-address>中国道路交通安全协会;</auth-address><titles><title>对RFID集成“电子车牌”技术适用性的几点建议</title><secondary-title>中国公共安全(综合版)</secondary-title></titles><periodical><full-title>中国公共安全(综合版)</full-title></periodical><pages>178-182</pages><number>10</number><keywords><keyword>电子标签</keyword><keyword>道路交通管理</keyword><keyword>自动识别</keyword><keyword>车辆识别</keyword><keyword>汽车牌照</keyword><keyword>多车道</keyword><keyword>读写设备</keyword><keyword>机动车号牌</keyword><keyword>技术组合</keyword><keyword>防碰撞算法</keyword></keywords><dates><year>2011</year></dates><isbn>1672-2396</isbn><call-num>44-1499/N</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[40-41]。论文选取AD7740芯片来进行V/F转换，其精度高，抗干扰能力强，具有较高的满刻度频率响应，且是微功耗元件。为了提高精度，AD7740芯片的REFIN管脚连接5V的外部基准电压来代替AD7740片内的基准电压，5V的外部基准电压由2.5V精准电压经过两倍比例放大后生成。AD7740芯片的时钟信号通过石英晶振产生，同时外接0.01μF的两个电容C10、C11以保证晶体振荡的稳定性。AD7740芯片的函数转换关系如公式（4-1）所示：（4-1）V/F转换电路的原理图如图4-3所示：图43V/F转换电路原理图在零刻度输入时，芯片FOUT引脚输出频率0.1；若输入达到，输出频率为0.9。因此，可通过所连接外部时钟来测试系统的误差。信号的传输光纤由电绝缘的石英材料制成，因此光纤通信线路对于各种电磁场的干扰具有极强的抵抗能力，而且光纤传输还具有低损耗、高速度等优点。电光转换发射电路论文选用HFBR-1414TZ光纤发射器，其典型电路结构如图4-4所示。图44HFBR-1414TZ光纤通信系统典型结构图由4.2节可知 V/F转换电路的输出为具有一定频率的电信号，为实现光纤传输，还需实现电光信号的转换。由下图可看出，可以通过控制光纤发射器内的发光二极管的开断，将V/F转换输出的高低电平信号转换为二极管的亮、灭信号。图45HFBR-1414TZ发送器内部结构图与引脚图方案如图4-6所示，光纤发射器的2、6、7脚经500Ω电阻连接5V电源。9013三极管发射极接地，集电极接HFBR-1414TZ的3脚，基极通过加速电容连接频率信号。频率信号的高低电平控制三极管导通关断进而实现发光二极管的亮灭。图46电光转换发射电路原理图光电转换接收电路论文所选用光电接收器为HFBR-2416TZ，对应结构图如图4-7所示。图47HFBR-2416TZ接收器内部结构图与引脚图HFBR-2416TZ通过光电探测器接收光纤传递的光信号，将其转换为电信号并通过放大器进行放大，然后通过图4-8所示电路进行处理。图4-8光电转换接收电路原理图HFBR-2416TZ的2脚输出的高低电平信号控制9013三极管的开断，从而高电平为3.3V左右，低电平为0的频率信号，而后将该频率信号接入FPGA引脚进行测量。低压侧接收信号的处理对于低压侧的得到的频率信号，还需对其进行测量，将测得数据值进行传输。现场可编程门阵列FPGA具有并行处理能力强、时钟频率高等优点，可同步采集多路频率信号进行测量。因此，本文以同步采集四路频率信号为例，基于FPGA硬件平台，结合QuartusⅡ软件编程，实现频率计量和传输。本文所选用FPGA芯片EP4CE10F17C8属于Altera公司CycloneIV系列，拥有10320个逻辑单元，是一款极佳的FPGA芯片。等精度频率测量模块频率测量方法主要有三种：脉冲计数法、周期测频法和等精度测频法，其中前两种方法都会产生±1个被测脉冲的误差ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>罗俊仪</Author><Year>2011</Year><RecNum>46</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>46</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sfa0z0eflpr9dbe20pt555r5a5exp9sde9v5">46</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>罗俊仪</author></authors></contributors><auth-address>中国道路交通安全协会;</auth-address><titles><title>对RFID集成“电子车牌”技术适用性的几点建议</title><secondary-title>中国公共安全(综合版)</secondary-title></titles><periodical><full-title>中国公共安全(综合版)</full-title></periodical><pages>178-182</pages><number>10</number><keywords><keyword>电子标签</keyword><keyword>道路交通管理</keyword><keyword>自动识别</keyword><keyword>车辆识别</keyword><keyword>汽车牌照</keyword><keyword>多车道</keyword><keyword>读写设备</keyword><keyword>机动车号牌</keyword><keyword>技术组合</keyword><keyword>防碰撞算法</keyword></keywords><dates><year>2011</year></dates><isbn>1672-2396</isbn><call-num>44-1499/N</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[42]。等精度测频法的实际闸门时间是一个与被测信号相关的值ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>罗俊仪</Author><Year>2011</Year><RecNum>46</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>46</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sfa0z0eflpr9dbe20pt555r5a5exp9sde9v5">46</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>罗俊仪</author></authors></contributors><auth-address>中国道路交通安全协会;</auth-address><titles><title>对RFID集成“电子车牌”技术适用性的几点建议</title><secondary-title>中国公共安全(综合版)</secondary-title></titles><periodical><full-title>中国公共安全(综合版)</full-title></periodical><pages>178-182</pages><number>10</number><keywords><keyword>电子标签</keyword><keyword>道路交通管理</keyword><keyword>自动识别</keyword><keyword>车辆识别</keyword><keyword>汽车牌照</keyword><keyword>多车道</keyword><keyword>读写设备</keyword><keyword>机动车号牌</keyword><keyword>技术组合</keyword><keyword>防碰撞算法</keyword></keywords><dates><year>2011</year></dates><isbn>1672-2396</isbn><call-num>44-1499/N</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[43]。在预设闸门开启后并不开始计数，还需等被测信号的上升沿到来才开始计数；在预设闸门的下降沿到来后，还需等被测信号的上升沿才停止计数，这样闸门信号内的被测信号计数值可以保证为整数。等精度测频法原理图如图4-9所示：图4-9等精度测频法原理图在实际闸门范围内，分别计量标准时钟和被测信号的个数，则被测信号的频率计算公式为：（4-2）式中：——标准时钟频率/;——实际闸门信号内待测信号计数个数；——实际闸门信号内标准信号计数个数。等精度测频法的相对误差为：（4-3）式中：——实际闸门时间/。由上式可知，等精度测频法的相对误差与被测信号的频率大小无关，仅与标准时钟和实际闸门时间的大小有关，因此，在标准时钟一定的情况下，应尽量增大实际闸门信号的时间。利用以上等精度测频法基本原理，通过verilog硬件编程语言进行设计，逻辑电路框图如图4-10所示。图4-10等精度频率计逻辑电路框图应用等精度测频法需先设置相应的预设闸门信号，由公式（4-3）可知，相对误差与标准频率和实际闸门信号的大小有关。标准信号clk由FPGA的时钟信号提供，频率为50MHz，为尽可能减小误差，用标准时钟信号进行分频，产生0.02s预设闸门信号，每个预设闸门信号之间间隔0.001s。在预设闸门信号产生后，将预设闸门信号同步化到待测时钟域中，得到实际闸门信号。在实际闸门信号内，每次标准时钟信号clk和待测信号clkt的上升沿到来时计数值加1，最终在闸门信号的下降沿停止计数，锁存计数值，在实际闸门信号低电平时通过公式（4-2）计算即可得到待测信号的频率值。图4-11等精度频率测量模块为更好地减小误差，在等精度频率测量完成后，对得到的频率值进行取平均。利用时钟分频产生0.6s的闸门信号作为采样周期信号，每个采样周期信号之间间隔0.002s。在采样周期信号内，每当下一次等精度频率测量实际闸门信号的上升沿pos_gate_fs到来，将上次计量完成的20位频率值数据data_fx加入总和，同时计数值加1，当闸门信号下降沿到来，锁存总和值和计数值，在闸门信号低电平时，求平均值。FIFO缓存模块FIFO（FirstInputFirstOutput）即先入先出队列，先存入的数据先读出。FIFO可起到数据缓存作用，防止丢失数据，同时可对数据进行集中存储，避免CPU频繁操作ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>罗俊仪</Author><Year>2011</Year><RecNum>46</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>46</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sfa0z0eflpr9dbe20pt555r5a5exp9sde9v5">46</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>罗俊仪</author></authors></contributors><auth-address>中国道路交通安全协会;</auth-address><titles><title>对RFID集成“电子车牌”技术适用性的几点建议</title><secondary-title>中国公共安全(综合版)</secondary-title></titles><periodical><full-title>中国公共安全(综合版)</full-title></periodical><pages>178-182</pages><number>10</number><keywords><keyword>电子标签</keyword><keyword>道路交通管理</keyword><keyword>自动识别</keyword><keyword>车辆识别</keyword><keyword>汽车牌照</keyword><keyword>多车道</keyword><keyword>读写设备</keyword><keyword>机动车号牌</keyword><keyword>技术组合</keyword><keyword>防碰撞算法</keyword></keywords><dates><year>2011</year></dates><isbn>1672-2396</isbn><call-num>44-1499/N</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[44]。FIFO存储模块FIFO模块的存储容量是由宽度和深度决定的，宽度为FIFO一次读写操作的数据位N，深度是指FIFO可以存取的N位数据的个数。所测得频率值为20位数据但为了后续处理过程中能够对四路信号进行甄别，采取图4-12所示帧格式：图4-12数据帧格式宽度取40位，头四位前两位为每一台变压器对应序号，后两位为一台变压器每一路信号对应的序列号，第16~35位为20位频率数据，最后16位为每一帧之间的分隔符，取0x0d、0x0a。由于仅取四路信号，而且为避免数据的延迟，每一次采样周期结束后进行一次数据发送，这样没有必要取很大的深度，这里仅取深度为10。准确的读写指针和有效的存取状态标志是FIFO能否成功应用的关键。空标志empty是指FIFO已空时发送的状态标识，以阻止FIFO的读操作从而避免无效数据的读出。满标志full是指FIFO已满时发送的状态标识，以阻止FIFO的写操作从而避免数据的溢出。FIFO的工作原理如图4-13所示：图4-13FIFO原理示意图FIFO写指针wr_p指向下一个要写入的地址，当FIFO收到写使能信号wrreq，且满信号full不为1时，将数据data写入对应地址，同时写指针wr_p加1；FIFO读指针rd_p指向下一个要读出的地址，当FIFO收到读使能信号rdreq，且空信号empty不为1时，将数据q读出，同时读指针rd_p加1。利用usedw记录FIFO中的剩余数据个数，写而未满时加1，读而未空时减1，同时发生读写操作时不变。当usedw减至0时，给出空标志；增至满时，给出满标志。图4-14FIFO缓存模块图FIFO缓存模块设计完毕后，还需设计相应的FIFO写模块和读模块来产生相应的使能信号进行写入和读出。FIFO写模块写模块作为四路平均值计算模块与FIFO缓存模块的中间连接模块，其主要任务是在一个采样周期完成后，逐一将20位四路频率计算平均值以上文所述40位帧格式存入FIFO缓存模块。连接图如图4-15所示。状态机是Verilog语言中常用的一种代码编写方式，通过控制各个状态之间的跳转来控制流程使得代码更加清晰易懂。写模块可分为四个状态：IDLE、WR_1、WR_2、WR_3和WR_4。图4-15FIFO写模块连接图IDLE表示空闲状态，是模块的起始状态。此时，写使能信号wrreq为0。当平均值计算模块一个采样周期完成，在下一个采样周期开始的上升沿标志pos_gate置1，写模块与之相连的ave_done置1。若ave_done为1且FIFO未满即full不为1，则模块状态转移至WR_1，否则仍停留在IDLE状态。在WR_1状态，写使能信号wrreq置1，同时写入FIFO的数据data_to_fifo等于第一路信号输出的频率平均值ave_data_out1，这样就将第一路频率计算平均值写入FIFO。若FIFO未满即full不为1，则模块转移至WR_2，将第二路频率计算平均值写入FIFO。之后WR_3、WR_4也是同样的道理，在WR_4状态完成四路信号写入后，重新回到IDLE初始状态，等待下一个采样周期的到来。FIFO读模块读模块为FIFO缓存模块与串口发送模块的中间连接模块，其主要任务是在FIFO写入后为非空状态时，顺序读取四路40位帧，将其分成五组八位数据进行串口发送。图4-16FIFO读模块连接图连接图如图4-16所示。同样使用状态机的方式进行程序编写，可分为IDLE、DATA_R、DATA_S、SEND_1、SEND_2、SEND_3、SEND_4和SEND_5。IDLE表示空闲状态，是模块的起始状态。此时，若FIFO空状态标志empty不为1即FIFO非空，读使能信号rdreq置1，读取一帧数据q[39:0]。同时，进入下一状态DATA_R,读使能信号清0，停止读取。而后进入下一状态DATA_S，串口发送使能信号send_en置1，串口发送八位数据等于q的前8位q[39-32]。进入下一状态SEND_1，串口发送使能信号清0，等待串口发送结束信号tx_done。若tx_done置1，上一组8位数据发送结束，串口发送使能信号send_en置1，串口发送八位数据等于q[31-24]，进入下一状态SEND_1，重复上面的步骤，直至将q[39:0]分五次发送完成。在最后一个状态SEND_5，串口发送使能信号send_en清0，若发送结束信号tx_done置1，重新回到初始状态IDLE。这样，就完成了一帧数据的读取和传送，重新进入循环，若FIFO不为空，进入新一轮发送，直至将FIFO中全部数据发送完成。串口发送模块异步串行通信对FPGA处理完成的数据还需通过ZigBee进行传输，选用异步串行通信方式。相较于并行传输，串行传输只需要一根数据线，成本较低，而异步串行传输不要求收发双方时钟一致，更易实现。图417数据传输帧格式由于收发双方没有采用相同的时钟，因此，为了数据传输的准确性，就必须对数据的帧格式和收发双方的波特率有所要求。本文采用通用异步收发传输器UART进行异步串行通信，其数据传输格式如图4-17所示。在通信过程中，数据一般以字节进行传输，但是在有效字符位之前首先增加一个低电平的起始位，在有效字符末尾增加一个高电平停止位，这样形成完整的数据传输帧ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>罗俊仪</Author><Year>2011</Year><RecNum>46</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>46</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sfa0z0eflpr9dbe20pt555r5a5exp9sde9v5">46</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>罗俊仪</author></authors></contributors><auth-address>中国道路交通安全协会;</auth