基于FPGA和DSP的電壓測量模塊設計

創新者：亓盛元 劉 明 王留全

基于FPGA和DSP的電壓測量模塊設計

創新者：亓盛元 劉 明 王留全

模擬量參數采集在飛行試驗中的需求是非常普遍的，模擬量電壓測量模塊是機載通用采集器中的重要模塊。本文主要介紹了能夠滿足機載通用采集器背板總線要求的通用模擬量電壓測量模塊的設計方案及實現過程。該模擬量電壓測量模塊中模擬電路采用了高度集成的高精度儀表運放電路，設計了4階巴特沃茲模擬濾波器；數字電路使用了當前比較新的FPGA和DSP電子設計技術，具有結構簡單，性能穩定，采集精度高等優點。

在航空測試領域，需要采集和記錄大量的電壓量參數，常見的電壓量參數主要是航空測試中傳感器的輸出信號，因此模擬量電壓測量模塊是機載通用采集器中的重要模塊。該類模塊用于對輸入到采集器的電壓信號進行模擬增益調節和濾波，具備同步采集功能，可對采集到的數據進行數字偏置，二次增益調節及數字濾波等，并將處理好的數據通過采集器的背板總線傳送到控制器模塊中，再由控制器模塊打包數據發送出去用于遙測或記錄。

本文在探索國外同類采集器中關于電壓測試模塊的研制原理和方案的基礎上，借鑒了KAM500，UMA2000及770系列機載測試采集器中模擬量電壓測量模塊設計的工作原理、系統邏輯、結構組成和元器件選取等，設計了一種基于FPGA和DSP的電壓量測量模塊。

電壓量測量模塊設計方案

模擬量電壓測量模塊主要由數字控制電路板和模擬處理電路板兩部分組成。數字電路板和模擬電路板靠板間連接器連接在一起，通過連接件插在通用數據采集單元的背板接口插槽上。其組成結構框圖如圖1所示。

兩塊電路板通過前端鋁制面板、板間高速連接件和后部的背板接插件連接在一起組成一個整體。前端鋁制面板還作為通用數據采集單元面板的一部分，通過外接插頭連接外部線路把傳感器輸出的電壓信號傳遞給該測量模塊。板間接插件除電氣連接功能外，還具有結構支撐作用，傳送模擬板和數字板間高速的TTL信號及來自背板的控制信號。

模擬處理電路板負責對輸入的16通道的電壓量信號進行電壓調節和阻抗匹配，具有四檔1、2、4、8倍硬件放大增益粗調，4階巴特沃茲模擬濾波及并行A/D轉換功能。數字控制電路板有兩部分功能：一是程序加載時將背板總線傳送的加載命令，如輸入電壓量范圍、數字濾波截止頻率、采樣率設置等參數，加載到FLASH存貯器中；二是當正常采集時，按照采集器的背板總線命令進行16通道A/D采集，將采集到的數據進行二次數字增益調節，偏置設置及數字濾波處理，并按照要求將處理后的數據實時傳輸到本采集器的主控模塊。其中一個通道的整個工作原理流程框圖如圖2所示。

當電壓測量模塊采集±40V時，Z3 和Z4焊接的是電阻，以進行分壓衰減。當采集是±10V的電壓量時，Z3和Z4焊接的是電容。

模擬信號調理電路設計

圖1　模擬量電壓測量模塊結構框圖

圖2　模擬量電壓測量模塊工作原理框圖

模擬電路板主要實現對外部輸入的電壓信號進行電阻分壓（可選），硬件4檔信號放大，濾波及A/D轉換功能。電路原理框圖見圖3。其工作順序是：預放大/衰減→4階巴特沃茲濾波→多路A/D轉換。

圖3　模擬電路板的電路原理框圖

圖4　數字電路板組成框圖

前端信號調節電路設計主要依靠高精密儀表放大器AD8251配合外圍電路實現所需的各種調節功能，并且其單端和差分輸入阻抗可滿足設計技術指標要求。下面以圖3中第一通道為例說明各種調節功能如何通過電路設計達到技術指標要求。

差分信號或單端信號采集的外部連接關系：當輸入信號是差分信號時，信號正端連接輸入正（+V1端），信號負連接輸入負（-V1端）即可；當輸入信號是單端信號時，信號連接輸入正（+V1端），輸入負（-V1端）直接連接信號地即可。

技術指標中有±40V和±10V兩種模擬量，電壓測量模塊設計要求主要通過在電抗R11，R12，R13， R14位置處焊接的不同的電阻和電容實現。±10V的模擬量電壓測量模塊在R11，R13處焊接10K的電阻；R12，R14焊接100pF電容。±40V的模擬量電壓測量模塊在R11，R13處焊接52.3K的電阻；R12，R14焊接17.4K電阻。其分壓原理見式（1）：輸入儀表放大器的電壓（要求輸入＜=±10V）

抗混疊濾波器設計成4階巴特沃茲模擬濾波器，在-3dB處截至頻率為3KHz（即信號帶寬為3KHz）。設計采用了Sallen Key 類型電壓跟隨式方法，使用兩個2階的模擬濾波器級聯而成，其濾波增益為1，圖3中虛線方框內為濾波器的連接網絡。這里R15 = 3.65K， R16 = 8.66K， C11 = 27nF，C12 = 3.3nF， R17 = 13.3K，R18 = 16.2K， C13 = 3.9nF， C14 = 3.3nF， 其前級濾波器截止頻率為：

其后級濾波器截止頻率為：

在整個模擬電路精度設計中，濾波器處增益為單位增益。儀表放大器AD8251在增益最大為8時其精度最差，為0.04％。 電阻分壓處采用了0.05％的高品質軍品電阻。整個電路精度誤差控制在0.1％范圍內。

數字信號處理電路設計

數字電路板硬件電路原理框圖如圖4所示。

數字電路板由數字信號處理器（DSP）、FPGA電路、FLASH存貯器、SRAM存儲器、背板總線接口、RS232電路和電源電路組成。數字信號處理器主要完成整個測量模塊命令加載和采集功能，圍繞著數字信號處理器件，外部擴展了1MB的FLASH存儲器、1MB的SRAM存儲器構成了主控制電路系統。當命令加載時，控制器將各種設置的命令參數加載到FLASH存儲器中；當正常工作時，模塊按照FLASH中各種設置的命令參數要求進行數據采集和傳輸。FPGA電路主要包含背板總線協議、命令參數配置區、數據緩沖區和模擬板增益控制模塊功能，這些功能通過硬件描述語言編寫IP核加載在FPGA電路內部實現。數字信號處理器和FPGA電路通過總線的方式進行連接。同時在電路板上設計了了RS232電路接口與調試計算機連接以方便調試。

圖5　模塊供電電路設計

圖6　通道同步采集時序圖

圖7　工作程序流程圖

模塊供電電路設計

電源供電電路由于機械結構和體積尺寸的要求放在了數字控制板上，但設計比較重要，其穩定性和精度直接影響了整個測量模塊（包括模擬板和數字板）的工作可靠性和采集精度。

模擬量電壓測量模塊供電由+12V，-12V，+5V，+3.3V組成。其中+12V，-12V，+5V電源為模擬板供電，+3.3V為數字電路供電。這幾種電源都是由背板總線提供，經電源濾波（為提高電源精度，采用“Π”型濾波器）后使用。數字地和模擬地利用整個地平面采用單點供地，并用600R@100MHz的磁珠隔離。

數字電路板中不僅需要+3.3V，而且需要+1.2V和+1.9V供電。因此在模塊電路內部設計了電源轉換電路。電源轉換電路主要的轉換芯片采用了美國Linear公司的高效DC-DC轉換芯片LTM4615，LTM4615內部集成了兩路DC/DC和一路LDO電源轉換器。其電源電路設計如圖5所示。

模塊采集時序和工作邏輯設計

為了實現各通道不同采樣率的同步采集，以8個通道為例，對不同通道輸入的模擬電壓量信號按照圖6所示的同步采集時序進行采集。

圖6中在同步信號SYN的上升沿同步開始采集。1和7通道為最高采樣率，每個主幀采集8次。2，5和6通道每個主幀采集4次。3通道每個主幀采集2次。4和8通道每個主幀采集1次。系統可以實現每個通道2n倍的采樣率。

采集板卡內部有信息配置區，數字濾波器和數據緩沖區。每次上電后，采集模塊的主控芯片先從信息配置區讀取各個通道的配置信息并按照要求進行設置，然后等待同步信號的到來，開始進行數據采集；然后按照不同的采樣率，將數據送入各通道對應的數字濾波器，最后將濾波后的數據放置在對應的數據緩沖區內等待控制器主板的突發讀取。其工作流程圖如圖7所示。

結束語

電壓測量模塊在電路板元器件焊接完成后，按照功能電路進行通電調試，分別將編寫好的FPGA測試程序和DSP測試程序下載到各自的芯片內，再與調試PC機通過RS232接口在實驗室內進行精度測試。利用FLUKE726類型的過程校驗儀給測量模塊提供電壓信號，并將測量數據傳送給上位機程序進行分析處理，各項指標可滿足設計技術要求。

本模塊在借鑒現有先進電壓量采集原理和方法的基礎上，進行借鑒和改進，采用了FPGA+DSP的詳細設計方案和工作原理。經系統調試和精度測試表明該測量模塊設計結構可靠，性能穩定，可滿足機載環境使用的設計指標要求。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.022