一種基于FPGA的多通道脈沖檢測系統設計與實現

摘 要 介紹一種多通道脈沖檢測系統設計方法。該系統運用Verilog HDL作為硬件描述語言，采用FPGA作為硬件平臺，進行軟件編程和硬件設計，完成射頻信號的射頻檢波，A/D模數轉換、DAC控制、時序控制和網絡傳輸等功能，實現了多通道射頻信號的脈沖檢測。以發射老煉檢測系統為應用背景，脈沖檢測系統的測試結果顯示，所設計的脈沖檢測系統達到了理想的功能。

【關鍵詞】脈沖檢測 射頻檢波 A/D模數轉換 DAC控制 FPGA

隨著電子技術的不斷發展，在通信、雷達、遙測遙感等領域中，檢測技術得到越來越廣泛的應用。其中，發射機的輸出功率是一個重要的技術指標。通常發射機輸出功率采用功率計測量，只能測量單通道射頻信號功率，不能夠測量多通道射頻信號的功率等。其次在具體發射機系統的測試和維護中，需要對射頻信號進行脈沖檢測，然后將檢測到的數據進行實時分析處理，從而提高系統的可靠性。因此，脈沖檢測成為測試系統中至關重要的部分。鑒于對發射機信號的脈沖檢測需求，本文設計了基于一種FPGA（Field Prrogrammable Gate Array）多通道脈沖檢測系設與實現，其研究射頻信號的功率、脈寬及周期等，具有很強的應用性，從而滿足在發射老煉檢測系統中的應用。

1 多通道脈沖檢測系統的工作原理

多通道脈沖檢測系統主要完成發射機射頻信號的射頻檢波、A/D數模轉換、DAC控制、時序控制和網絡傳輸等功能。其原理圖如圖1，來自多路的射頻信號經過射頻檢波出視頻信號。視頻信號經過信號調理電路分為兩路，一路直接在FPGA中脈寬周期檢測。另一路送A/D模數轉換，在FPGA內進行多通道數據采集，檢測出射頻信號功率值。兩路信號在FPGA內進行數據融合，融合的數據進行緩存，按TCP/IP通訊協議組幀。再通過網絡接入PC機中。系統運用上位機軟件顯示多通道射頻信號的功率值和脈寬周期的信息。

2 主要硬件電路設計及接口設計

2.1 主要硬件電路設計

其系統主要硬件電路包括：射頻檢波、A/D模數轉換、DAC控制、網絡接口芯片和FPGA電路設計。FPGA具有極大的靈活性和通用性，具有數字信號并行處理能力，開發效率高，成本低，工作穩定可靠。系統選用ALTERA公司CycnloneⅢ系列EP3C25F256C8芯片，該芯片資源豐富，體積小，接口電平多，主要完成ADC配置、DAC控制和數據融合等，可以完全滿足小型微波測試系統的設計要求。射頻功率測量方法多種多樣，其中射頻檢波是檢測射頻信號功率的一個重要方法之一。系統選用AD公司AD8318作為射頻信號的檢波芯片，其頻率范圍可測量8Ghz以內的射頻信號，動態范圍精度高，芯片可以0dBm到-60dBm的射頻信號進行檢波，輸出視頻信號電平為0.3到2v。ADC控制是模數轉換器，系統選用AD公司的AD7490芯片，采樣精度為12位，16通道串行輸出的方式，最高提供采樣速率為1 MSPS。完全滿足本系統需求，并方便擴展應用。根據基本采樣理論，

fs≥2fH （1）

式（1）中，fs為采樣率；fH為待采信號最高頻率，fs選取1MS/S，這樣的理論可以采樣最高頻率小于0.5 Mhz，對于本系統還有不少余量。DAC是數模轉換器，系統選用了4片AD公司的AD5307芯片，每片芯片共有四路輸出，每路輸出信號最大控制電平范圍可在0到2.048v，實現了視頻信號的調零和門限控制。系統同時提出基于TCP/IP通訊協議。系統選用已太網控制芯片W5100，W5100是Wiznet公司推出的一款實用單片網絡接口芯片[4]。W5100能夠自動識別全雙工或半雙工的傳輸模式，兼容10M/100M 以太網絡。其外部接帶有網絡變壓器的RJ45座時，可實現與PC機的通訊。

2.2 接口設計

脈沖檢測系統設計時，射頻通道數多，控制時序復雜，集成電路接口豐富，FPGA管腳資源有限，為減少FPGA管腳資源，系統多采用串行總線和直接總線的方式。AD7490帶有高速的串行接口SPI。SPI接口主要應用在A/D或者D/A轉換器中，其接口占用FPGA管腳資源少，接線十分簡單，不需要任何其他外接設備。網絡接口芯片W5100選用直接總線模式，系統與PC機通訊時，W5100的以太網物理單元通過接收RXIP/RXIN和發送TXOP/TXON，連接到以太網中。

3 主要軟件設計

脈沖檢測系統是在Quartus軟件環境下調試的，采用Verilog HDL語言對各硬件配置設計。上位機采用LABVIEW軟件實現數據處理。系統軟件框圖如圖2，FPGA片內邏輯的鎖相環生成系統的工作時鐘和采樣時鐘。系統工作時鐘40MHz，16通道視頻信號直接輸入給FPGA脈寬周期檢測，檢測結果送到數據融合。軟件產生時序去控制AD5307，改變DIN的參數值可實現視頻信號的調理工作。FPGA按AD7490時序要求配置ADC，使其工作在A/D轉換和數據轉輸周期內。W5100的控制軟件使用有限狀態機等，進行其硬件初始化，網絡配置，查詢狀態，建立TCP通訊網絡連接，使網絡接口芯片工作在TCP/IP通訊協議下。系統具有故障報警和遠程數據傳輸功能。

4 測試結果

為驗證脈沖檢測系統，提供脈沖調制信號源，脈沖發生器和萬用表等設備，設置射頻輸入信號脈寬100 us，周期2ms，峰值2V。系統通過SignalTap邏輯分析器驗證了整個軟件設計的正確性，測試單通道脈沖信號一個周期內，脈沖周期結果是2ms。脈寬測試結果如圖3所示。

圖3中，測試脈沖信號的幅度，設置采樣時鐘、采樣深度和觀察需要的信號。量化值為3377，脈沖信號幅度值為2.06V。用萬用表測試AD電路輸入為2 V。

為了驗證TCP/IP 通訊協議是否連接，測試網絡狀態等。如圖4。上位機軟件自動進入網絡配置，計算機采用ping IP地址的方式 ，檢測了系統電路設計與上位機通訊穩定可靠。

5 結語

從上述設計仿真測試結果看出，以FPGA實現多通道脈沖檢測設計為平臺，Verilog HDL作為開發語言，對脈沖檢測進行時序控制和數據融合。以LABVIEW軟件設計上位機實現數據處理和遠程數據傳輸。其硬件設計簡單，軟件編程極其靈活方便，系統給出了實驗結果。本系統已經成功應用發射老煉檢測系統中，達到了預期的功能。整個系統具有集成度高，實用性強，適應性廣的特點。

參考文獻

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作者簡介

邢連營（1980-），男，主要研究方向為數字接收機及高速數據采集。

作者單位

中國電子科技集團第三十八研究所 安徽省合肥市 230088