基于FPGA的多通道红外信号采集系统设计_梁宽宽.pdf

收稿日期：第一作者：梁宽宽（），男，河南周口人，在读硕士研究生，主要研究方向为数据采集、目标识别技术。基于 的多通道红外信号采集系统设计梁宽宽，刘 敏（西安工业大学 兵器科学与技术学院；西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安）摘要：针对目前末敏探测试验中多通道红外信号采集以及远距离传输的需求，该文设计了一种基于 的多通道红外信号采集系统。该系统以 作为主控制器，使用 片 模数转换器进行信号采集，并外接 作为数据缓存，最后使用以太网 协议将数据传输至上位机。测试结果表明，该系统能够对 通道红外信号进行采集、传输以及数据保存，采样率可达，性能稳定，具有较高的应用价值。关键词：；信号采集；上位机；中图分类号：文章编号：（）文献标识码：，（，；，）：，：；引言在以往的末敏探测系统中均采用单元红外传感器获取目标红外辐射信息，但此方法具有定位精度不高的缺点，因此多元红外信息感知技术在末敏探测中的应用成为了研究热点。外场试验中将多元红外末敏探测系统固定在高塔的升降台上并对地面目标进行扫描，各路红外信号的脉冲宽度和时序关系对目标的识别起到至关重要的作用，因此实现多通道红外信号的同步采集是保证探测试验成功的关键。常见的信号采集系统大多以微控制器（）和现场可编程门阵列（）为核心，但多达 路信号同步采集的系统并不多见。该文设计了一种基于 的多通道红外信号采集系统，该系统使用 片 进行信号采集，采用千兆以太网进行数据传输，实现 通道红外信号的采集并传输至上位机，满足了末敏探测试验中多元红外信号采集和传输的需求，并得到了良好的应用，解决了末敏探测试验中多路信号同步获取的关键问题。系统总体设计该系统主要由电源、芯片、以及以太网 芯片和上位机软件组成，能够完成对前端红外探测器输出的电信号进行采集、传输和存储。内部设计的逻辑模块主要有采集控制模块、读写控制模块和 协议发送接收模块，另外还需要构建两个 年第 期 工业仪表与自动化装置和一个 核，分别用于跨时钟域的数据处理和对外部的 进行读写操作。系统总体设计如图 所示。图 系统总体设计图 系统上电后开始初始化，然后发送以太网 请求以获取目的 地址，当系统收到 应答时开始信号采集。个通道采集并转换完成时发出写请求，将数据写入到数据写 并缓存到外部 。当 中的数据量满足 单包发送数量时拉高 读请求，将该数据封装为 协议，通过以太网传输至上位机，上位机实现波形的显示以及数据存储。系统工作流程如图 所示。图 系统的工作流程图 硬件设计 信号采集模块模数转换器采用亚德诺（）公司的 位采样 芯片，该芯片集成模拟输入箝位保护、二阶抗混叠模拟滤波器、片内精准基准电压源，支持 路真双极性模拟输入，所有通道都具有最高 的采样率，可支持高速并行数据输出接口，能够满足该系统的采样需求。对 片 的控制全部由单独的 口实现，并且使 片 工作下同一时钟下，实现 通道的同步采集。采集模块电路设计如图 所示。图 采集模块电路设计工业仪表与自动化装置 年第 期图 以一片 接 口 连 接 为 例，片 共组成 路采样通道，位并行数据接口，其片上的过采样率控制引脚、，片选 和转换开始引脚 、数据读取使能 分别短接在一起，以便 同步设置所有采样通道的过采样率和信号的同步采样以及转换。外部基准电压 可选用使用内部基准电压或外部基准电压，当系统有多片 同时工作时，应当使用外部基准电压以保证所有通道转换精度的一致性。外部基准电压源选择 芯片，因其具有出色的高精度和稳定性的特点，非常适合精密转换的应用。输出的 电压通过 端口输入到 片，保证每片 数据转换精度的一致性。外部基准电压电路图如图 所示。图 外部基准电压电路图 数据缓存模块为了防止数据在传输过程中出现溢出、丢失的问题，该系统选用了外部存储器 作为数据缓存模块。选择镁光公司生产的型号为 存储芯片，存储容量为，地址位宽为 位，数据位宽为 位。选择使用 官方的 核进行设计开发，以缩短系统开发周期。数据传输模块以太网的物理层由一个 芯片构成，通过 接口与以太网 层通信。接口数据线有 位，当时钟线频率为 时数据传输速率可达 。软件设计 采集控制逻辑模块 内部的信号采集控制逻辑模块实现数据的读取、拼接和缓存到 中。经常应用与不同时钟频率之间的数据传输，的采样频率最大为 ，而 数据读写接口 总线的时钟高达 ，所以采集控制逻辑模块内部例化一个异步。信号采集模块对外发送采样使能和时钟信号，实现数据的同步采集，路采样通道每转换一次输出的数据位宽为 位，将该数据按照通道 至 的顺序写入 中，以实现低速采集和高度 数据缓存时的跨时钟域处理。信号采集控制逻辑模块如图 所示。图 信号采集逻辑模块 以太网传输模块以太网传输顶层模块包括 读写和 接口数据接收发送功能，如图 所示。中缓存的数据位宽为 位，而以太网传输的有效数据位宽为 位，因此需要将 读取的数据经过一个 转换为 位。该系统的以太网传输模块基于 协议。协议是一种无连接的传输层协议，传输速度较快，占用资源量较少，适合实时数据的传输，。将 中的数据打包在 协议中，协议是基于 协议的，协议又是通过 层发送的，因此待发送数据在 协议基础上加上、帧头以及校验字段，可实现数据的以太网 协议传输，其中待发送数据为 次采样共计 个字节的数据。一个以太网 传输数据包格式如图 所示。图 以太网传输顶层模块 年第 期 工业仪表与自动化装置图 以太网 传输数据包格式 上位机设计针对 通道红外信号的采集、波形显示以及数据的处理和存储问题，在 系统中 开发环境下，设计了基于 语言的上位机软件，上位机界面如图 所示。该软件可实现以太网连接、采样通道选择、采样参数设置、触发方式选择、文本显示、数据处理与保存等功能，上位机功能流程如图 所示。图 上位机界面 图 上位机功能流程图 系统仿真与测试 系统仿真为了验证系统各功能模块的性能，在 和 开发平台对整个工程进行编译和仿真。仿真结果表明 的采样时序满足芯片时序约束要求，如图 所示。图 的采样时序仿真图图 中片选信号 由逻辑 拉低到逻辑，并且数据读取使能 发出 个脉冲信号，表示 芯片被选中并且各采样通道转换后的数据被依次读取。系统测试在实验室内搭建系统测试平台（测试现场如图 所示），首先将信号发生器发出的固定频率正弦信号输入到采集系统中，设置系统采样率为，统计一个周期内采集到的信号点数，计算得到系统的实际采样频率如表 所示。工业仪表与自动化装置 年第 期图 系统测试现场表 实际采样率测试数据记录测试次数信号频率周期时间 采样点数 个 采样率 然后将红外探测器输出的电信号接入到采集系统，同时使用示波器捕捉该信号，对比采集到的红外信号波形与示波器显示的波形，以测试系统对红外信号采集的正确性。采集系统采集到的红外信号波形如图 所示。图 采集到的红外信号波形 重复上述测试方法和步骤，分别对采集系统的 个通道进行红外信号采集测试。测试结果表明，该系统的 个通道均能够正确采集红外信号。结束语为了获取末敏探测试验中的多元红外信号，该系统利用 同步控制 片 实现了 路红外信号的采集，采集的结果能够真实反映出原始信号，为多元红外末敏探测试验提供了技术支撑。此外，该文介绍的红外信号采集系统的设计方法还可以应用到其他信号类型的采集，为多通道信号采集系统的设计提供了简单可靠的方法。参考文献：王丹妮，李野，蔡文泽，等 末敏弹多元红外探测与目标识别定位方法研究 弹箭与制导学报，（）：朱晓婷 末敏弹线阵列红外图像目标识别研究 南京：南京理工大学，李意 智能弹药红外目标搜索研究 西安：西安工业大学，过怡，张振，张棋 基于 的多路传感器数据采集系统设计 电子制作，（）：韩宾，易志强，江虹，等 一种高精度多通道实时数据采集系统设计 仪表技术与传感器，（）：贾梦欢，庹先国，沈统，等 基于 的微震信号快速识别系统设计 传感器与微系统，（）：张燕强，贾云飞，蔡璨 基于 的磁异常数据采集系统设计 电子设计工程，（）：刘喜梅，吕文韬 基于 的树莓派多通道数据采集系统设计 工业仪表与自动化装置，（）：颜培玉，段瑞彬，刘文吉，等 基于 的焊接电弧电信号高精度数据采集系统设计 热加工工艺，（）：丁辉，张会新，庞俊奇 基于 的高速大容量数据缓存单元设计 仪表技术与传感器，（）：宋克 一种高速可靠 网络传输的优化实现数字通信世界，（）：吴震霖 一种基于 的万兆以太网控制器 广东通信技术，（）：於炜力，曹永刚，王月兵 基于 和以太网的超声相控阵发射系统研究 仪表技术与传感器，（）：张少芳，李献军，王月春，等 基于千兆以太网的弹载数据采集系统设计 兵器装备工程学报，（）：李双成，宋盈盈，刘小涵，等 基于 的颈腰健身器上位机软件系统研究 国外电子测量技术，（）：年第 期 工业仪表与自动化装置