基于FPGA的多通道加速度計(jì)頻率信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的多通道加速度計(jì)頻率信號(hào)采集系統(tǒng)，以FPGA芯片Artix7 XC7A35T為核心，利用FPGA實(shí)現(xiàn)高精度、多通道頻率測(cè)量功能，通過FT232H芯片將采集數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)12通道的頻率測(cè)量，測(cè)量精度能夠達(dá)至0.01 μs，可以實(shí)現(xiàn)10～100 kHz范圍內(nèi)的頻率測(cè)量，精度可達(dá)1×10-4 Hz，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)測(cè)量精度一致。通過與Keysight 53230A高精度測(cè)頻儀器數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果證明系統(tǒng)能夠達(dá)到等精度測(cè)量的目的。

關(guān)鍵詞：多通道；等精度測(cè)量；加速度計(jì)頻率

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技術(shù)在微電子學(xué)領(lǐng)域迅猛發(fā)展，特別是微型加速度傳感器因其小型化、輕質(zhì)量和高靈敏度，在多個(gè)領(lǐng)域如工業(yè)監(jiān)測(cè)、汽車電子、移動(dòng)設(shè)備、慣性導(dǎo)航和姿態(tài)控制等發(fā)揮著核心作用。振梁式加速度傳感器通過檢測(cè)質(zhì)量塊慣性力導(dǎo)致的諧振頻率變化來精確測(cè)量加速度，具有寬動(dòng)態(tài)范圍和優(yōu)良的抗干擾性。隨著對(duì)多方向加速度信息和多傳感器數(shù)據(jù)同步分析需求的增加，開發(fā)一種能高效處理多通道頻率信號(hào)的系統(tǒng)變得至關(guān)重要。本文提出一種FPGA和通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口的設(shè)計(jì)方案，使用FT232H芯片實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的高效數(shù)據(jù)交互，為振梁式加速度傳感器多通道數(shù)據(jù)采集與分析提供了高效且強(qiáng)大的支持。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于FPGA的多通道加速度計(jì)頻率信號(hào)采集系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖1所示。被測(cè)信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路模塊的濾波整形后，傳輸給FPGA進(jìn)行測(cè)頻。選擇100 MHz高精恒溫晶振作為時(shí)鐘信號(hào)源，F(xiàn)PGA內(nèi)部鎖相環(huán)進(jìn)行倍頻得到時(shí)鐘fs。FT232H為USB接口芯片，負(fù)責(zé)將FPGA采集的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。

2 測(cè)頻方案選擇

2.1 測(cè)試對(duì)象

本文采集系統(tǒng)可對(duì)新型的MEMS石英振梁加速度計(jì)進(jìn)行頻率測(cè)量。壓電加速度計(jì)利用石英的壓電效應(yīng)，通過2個(gè)石英梁以推挽方式安裝形成諧振腔體。受加速度影響，2個(gè)石英梁上會(huì)產(chǎn)生拉壓應(yīng)力，這會(huì)改變其諧振頻率。2個(gè)石英梁的頻率差會(huì)與外加力成正比，從而反映加速度的大小［1］。通常高精度石英振梁加速度計(jì)，其測(cè)量范圍為±100 g，標(biāo)度因數(shù)為50 Hz/g，偏置穩(wěn)定性小于100 μg，其輸出頻率通常會(huì)在 28～40 kHz范圍內(nèi)。

2.2 測(cè)頻方法

頻率測(cè)量方法可以分為直接測(cè)頻法、周期測(cè)頻法和等精度測(cè)頻法。直接測(cè)頻法是通過統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)閘門時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)來計(jì)算頻率，其測(cè)量精度與系統(tǒng)的閘門時(shí)間和被測(cè)信號(hào)頻率相關(guān)。對(duì)于同一個(gè)被測(cè)信號(hào)，當(dāng)閘門時(shí)間越長(zhǎng)，相對(duì)誤差就越小，因此，這種方法適用于高頻信號(hào)的測(cè)量。周期測(cè)頻法是基于被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)基準(zhǔn)頻率信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)來計(jì)算頻率，其測(cè)量精度與被測(cè)信號(hào)周期和基準(zhǔn)頻率信號(hào)的精度相關(guān)。對(duì)于同一被測(cè)信號(hào)，基準(zhǔn)頻率越高相對(duì)誤差越小，這種方法適用于低頻信號(hào)的測(cè)量。等精度測(cè)頻法的測(cè)量精度與被測(cè)信號(hào)的頻率大小無關(guān)，這種方法能夠達(dá)到較高且全頻段一致的測(cè)量精度，因此，被認(rèn)為是一種先進(jìn)的頻率測(cè)量方法［2］。等精度測(cè)頻法時(shí)序如圖2所示。

圖2中Td為閘門時(shí)間，Nt為被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值，Ns為用于計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)值，fx為被測(cè)頻率值。則頻率計(jì)算公式為［3］：

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 FPGA選型

本文頻率測(cè)量系統(tǒng)選擇Artix7 XC7A35T作為邏輯控制芯片搭建。芯片資源如表1所示。

XC7A35T芯片具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）高性能。Artix7 XC7A35T具有較高的邏輯密度和處理能力，可滿足多通道頻率測(cè)量系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)處理需求。Artix7 XC7A35T具有35000個(gè)邏輯單元（Logic Element，LE）、可編程邏輯陣列（Programmable Logic Array，PLA）和數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）模塊，能夠高效地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。

（2）低功耗。Artix7 XC7A35T采用了28 nm工藝技術(shù)，具有較低的功耗。對(duì)于多通道頻率測(cè)量系統(tǒng)而言，低功耗特性有利于降低系統(tǒng)能耗，節(jié)約運(yùn)行成本。

（3）高集成度。Artix7 XC7A35T集成了豐富的硬件資源，如串行和并行接口、高速收發(fā)器、時(shí)鐘管理器和鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop，PLL）等，有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低成本。此外，芯片還提供了豐富的IO資源，便于與其他外圍設(shè)備進(jìn)行連接。

（4）易于開發(fā)。Artix7 XC7A35T提供了豐富的開發(fā)工具和庫，如Xilinx 軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK）、ISE設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具等，便于用戶進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開發(fā)。此外，芯片支持與其他常用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation，EDA）工具的兼容性，便于協(xié)同設(shè)計(jì)。

綜上，選擇Artix7 XC7A35T作為多通道頻率測(cè)量系統(tǒng)的FPGA芯片，可以充分利用其高性能、低功耗、高集成度等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 USB 接口芯片選型

USB接口廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸與通信，選型時(shí)需要考慮數(shù)據(jù)速率、功耗、成本等因素，本設(shè)計(jì)選擇FT232H作為USB接口芯片。FT232H是FTDI公司的新一代USB轉(zhuǎn)串口芯片［4］，與FT245等舊款芯片相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）支持USB 2.0高速傳輸模式，最大數(shù)據(jù)速率可達(dá)480 Mbps，滿足多通道高頻率信號(hào)采集的帶寬需求；

（2）內(nèi)置FIFO緩存，有效減少USB傳輸中的數(shù)據(jù)丟包可能；

（3）支持更多通信接口模式，如SPI、I2C等，便于與FPGA和其他器件連接；

（4）封裝小，功耗低，成本低；

（5）產(chǎn)品成熟度高，資料齊全、應(yīng)用廣泛，可以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。

4 仿真以及系統(tǒng)測(cè)試

4.1 USB芯片通信仿真

本文基于Verilog語言編寫了一個(gè)仿真文件，用于對(duì)USB通信芯片F(xiàn)T232H進(jìn)行功能測(cè)試。仿真測(cè)試文件定義了一個(gè)名為FT232H_model_tb的模塊，該模塊用于模擬FT232H芯片功能。模塊內(nèi)部包含了芯片的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入輸出、讀寫控制等信號(hào)以及一些用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)的函數(shù)。對(duì)芯片的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入輸出、讀寫控制信號(hào)進(jìn)行行為描述。當(dāng)芯片接收到外部數(shù)據(jù)時(shí)，這些數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)到芯片內(nèi)部；而當(dāng)芯片需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)把存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。此外，根據(jù)芯片類型和數(shù)據(jù)寬度參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。仿真結(jié)果證實(shí)了FT232H USB接口芯片與FPGA的邏輯控制功能是正確的。

4.2 系統(tǒng)整體測(cè)試

本文搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，利用DG1022信號(hào)發(fā)生器、頻率計(jì)Keysight 53230A（外接銣原子時(shí)鐘作為基準(zhǔn)）進(jìn)行比對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證電路采集板卡和系統(tǒng)的頻率測(cè)試精度達(dá)到1×10-4 Hz量級(jí)。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于FPGA和USB接口的設(shè)計(jì)方案，使用FT232H芯片實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的高效數(shù)據(jù)交互，為加速度傳感器多通道數(shù)據(jù)采集與分析提供了高效且強(qiáng)大的支持。通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用DG1022信號(hào)發(fā)生器、高精度頻率計(jì) Keysight 53230A進(jìn)行比對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的頻率測(cè)試性能和精度滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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Design of multi-channel accelerometer frequency signal acquisition system based on FPGA

Abstract： This paper designs a multi-channel accelerometer frequency signal acquisition system based on field programmable gate array（FPGA）， with the FPGA chip Artix7 XC7A35T as the core. The FPGA is utilized to realize high-precision， multi-channel frequency measurement functions. The collected data is transmitted to the computer for storage through the FT232H chip. The test results show that： the system can realize frequency measurement of up to 12 channels. The measurement precision can reach 0.01 μs and frequency measurement in the range of 10～100 kHz can be realized. The precision can reach 10-4Hz with consistent measurement precision across the entire frequency range. Through comparison with the data of Keysight 53230 A high-precision frequency counter， it has been verified that the system achieves the goal of equal precision measurement.

Key words： multi-channel; equal precision measurement; accelerometer frequency