基于FPGA的狄克型輻射計數據采集系統設計

蔡朋飛，趙 飛

（中國科學院空間科學與應用研究中心微波遙感技術重點實驗室 北京 100190）

隨著微波遙感的日益廣泛應用，對輻射測量技術也提出了越來越高的要求，目前國內使用的微波輻射計大多是全功率型輻射計，這種輻射計具有較高的理論靈敏度，結構也比較簡單，但由于接收機增益的波動，其實際靈敏度及工作穩定性都比較差，而狄克型輻射計則克服了增益波動帶來的不良影響，提高了輻射計的實際靈敏度和測量精度[1]。

目前傳統狄克型輻射計的各項技術已經比較成熟，它通過調制，同步解調和積分器實現零平衡進而抑制增益變化，然而它們的實現都是通過模擬電路來實現的，這樣就導致了傳統的狄克型輻射計時序精確性和準確性不是很高，本文設計的基于FPGA的數據采集系統可將傳統的調制，同步解調和積分比較器改進為數字型，這樣就使得對輻射計的時序控制更加精確，系統也更加緊湊、小型化。

1 總體設計方案

本系統以型號為EP2C8Q208的FPGA芯片作為主要的控制單元，該芯片成本低、功耗低、且配置靈活，系統主要包括電源模塊、主芯片配置模塊、數據采集模塊、存儲模塊及NIOS II數據讀取與傳輸模塊，總的框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖Fig.1 Verall block diagram of the system

2 硬件電路設計

硬件部分主要包括電源模塊、主芯片配置模塊、數據采集模塊、存儲模塊等組成。電源模塊主要有PTH12050、LT1764等芯片組成，系統上電后，由線性電源提供12 V電源，經PTH12050后輸出5 V電壓，再經LT1764后得到3.3 V電壓和1.2 V電壓，其中3.3 V電壓主要供數據采集模塊、存儲模塊、數據傳輸模塊、FPGA的IO口使用，1.2 V是FPGA的內核電壓；數據采集模塊主要由AD7606組成，AD7606能最多采集八路信號，16位的分辨率，最大采樣率可達200 KSPS；存儲模塊主要由MT48LC16M16A2型SDRAM組成，最高時鐘頻率可達133 MHz，容量為256 M；數據傳輸模塊主要有串口傳輸模塊和網口傳輸模塊組成，串口采用max3232芯片，網口采用W5300芯片。

硬件系統的核心是在于FPGA中搭建的NIOS II軟核，它控制著外圍電路的正常工作，而外圍電路主要包括數據采集電路、數據緩存電路和上位機通信電路。數據采集電路包括ADC及ADC控制單元，本設計中為節省資源將AD7606設計成串行輸出，其設計原理圖如圖2所示，ADC的控制部分主要通過verilog HDL語言編寫的控制程序在FPGA中實現；數據緩存單元的存在是因為軟核與外設ADC的讀寫速度不一致造成的，數據緩存單元用來緩存AD控制單元送來的數據，該單元由一塊RAM組成，這塊RAM分為上下各半部分，當上半部分存滿之后開始存儲下半部分，同時NIOS II軟核讀取上半部分，依次循環，這種結構能保證數據連續采樣而不丟失[2]；上位機通信電路主要是串口電路和網口電路，系統采集的數據能通過串口或者網口傳至上位機。

3 軟件設計

3.1 FPGA邏輯設計

FPGA邏輯設計主要用來完成AD7606的控制、數據的緩存及自定義邏輯，系統上電后，AD控制部分控制AD7606的初始化及數據轉換，主要是控制CONVSTA、CONVSTB、CS、及RESET信號的時序，CONVSTA與CONVSTB是兩個通道的轉換開始信號，CS和RESET分別是片選和復位信號，當各個控制信號滿足時序要求時，AD7606即能正常工作；同時AD控制部分將采得的數據寫入Ram中，當Ram上半部分寫滿后會產生中斷來通知軟核讀取上半部分的數據，同時繼續將數據寫入下半部分，依次循環，其中Ram與軟核的通信是通過Avalon總線實現的，這中間需要自定義一個Avalon slave型的Ram讀組件，由于軟核只需要讀Ram中的數據而不需要對其進行寫操作，因此自定義組件只包含了讀地址和讀使能信號[3]，通過該組件即可實現軟核與Ram的正常通信。

3.2 C程序設計

該部分設計主要是針對NIOS II軟核的程序開發。NIOS II處理器的軟件開發環境IDE為開發者提供了低層設備驅動及豐富的標準庫資源，并在main函數之前自動完成系統和外設的初始化，因此開發者只需做好應用程序的開發即可[4]，軟件流程圖如圖4所示。

圖2 AD7606電路圖Fig.2 Schematic of AD7606

初始化部分由NIOS II軟核自帶的驅動自動完成，在采集開始之前加上一PIO使之與CONVSTA信號相與來作為AD7606的開始采樣信號，在采樣開始后采得的數據會寫入到Ram中，進而產生中斷來將數據存入到SDRAM中并輸出。

3.2.1 中斷控制

在Ram控制中，當Ram的上半部分或者下半部分寫滿時會產生中斷信號，該中斷信號與一個PIO信號相連接，通過控制與PIO相關聯的四個寄存器即可使NIOS II軟核響應中斷來實時讀取Ram中的數據[5]。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Flow diagram of software

NIOS II處理器在響應中斷時需要調用相對應的中斷服務函數，而NIOS II中的中斷服務函數有著特定的要求，每個中斷服務函數須經注冊后才能生效[4]，以下為中斷服務函數。

3.2.2 RAM的讀取

NIOS II處理器讀取外設的信息時牽涉到地址對齊問題，而要讀取Ram中的信息需采用動態地址對齊方式，在動態地址對齊方式下，NIOS II處理器一次讀操作將連續讀取4個字節的數據，所以在編寫程序時偏移地址應每次加4[6]，以下是讀取RAM的程序。

3.2.3 數據的傳輸

NIOS II處理器將讀取的數據存入SDRAM后可通過串口或者網口發到上位機上。網口的數據傳輸程序比較復雜，本文只介紹串口的數據傳輸，同其他外設，使用串口時也需先注冊串口中斷，然后再寫串口中斷服務函數。UART核內有5個關鍵的寄存器，通過控制這5個寄存器即可有效控制串口的正常工作，并將采得的數據通過串口傳輸到上位機[5]。

4 實驗結果與驗證

由于微波輻射計最后檢波輸出的信號頻率比較低，且用串口傳輸的速率也比較低，所以程序中將AD7606的采樣率設置的比較低，為驗證系統性能，以5 K的采樣率對100 Hz的標準正弦波和方波進行了采樣，從采樣結果可以看出，無論是采樣幅度還是采樣精度都能滿足輻射計的要求。圖4是標準的正弦波采樣結果，圖5是標準方波采樣結果。

圖4 標準正弦波采樣結果Fig.4 Sampling results of standard sine wave

圖5 標準方波采樣結果Fig.5 Sampling results of standard square wave

5 結 論

文中設計的以FPGA為核心的數據采集系統，通過添加外設和自定義邏輯到NIOS II軟核實現了對系統的整體控制，而且設計比較靈活，易于實現，移植性也比較強。經試驗驗證，該系統能夠很好的實現數據采集功能，能達到微波輻射計數據采集的要求。

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