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隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)進(jìn)行數(shù)字信號處理得到了飛速發(fā)展。由于FPGA具有現(xiàn)場可編程的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)專用集成電路，因此越來越受到硬件電路設(shè)計(jì)工程師們的青睞。 目前，在自動(dòng)化監(jiān)測與控制儀器和裝置中，大多以8位或16位MCU為核心部件。然而伴隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，對監(jiān)測與控制的要求也在不斷提高，面對日益復(fù)雜的監(jiān)測對象和控制算法，傳統(tǒng)的MCU往往不堪重負(fù)。把FPGA運(yùn)用到這些儀表和設(shè)備中，可以減少這些儀器、設(shè)備的開發(fā)周期，大幅度提升這些儀器的性能，減少總成本和體積。 在低阻值、高精度線圈電阻測試儀中關(guān)鍵部分用FPGA硬件電路來實(shí)現(xiàn)，可以節(jié)省系統(tǒng)的面積開銷、減少所用的芯片數(shù)和PCB板塊數(shù)，提升系統(tǒng)性能，并降低成本。 低阻值、高精度測試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹 系統(tǒng)的待測體是一個(gè)繞有三組銅線圈的機(jī)構(gòu)，外形尺寸大約是7×7×6(mm)，外形結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。由于系統(tǒng)要通過測量待測線圈的阻值，來確定線圈的圈數(shù)，因此，要求有比較高的測量精度。按照工廠流水線作業(yè)的要求，待測體電阻值均在5Q以下，測量精度在±0.01Ω以內(nèi)，反應(yīng)速度在0.8s以內(nèi)。整個(gè)測試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示輸出模塊組成，如圖1所示。 數(shù)據(jù)采樣部分 由于本系統(tǒng)要對微小電阻進(jìn)行精確測量，因此采用四引線制測量法，配以高精度、低溫漂的恒流源。本系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換芯片采用Intersil公司的三位半A／I)轉(zhuǎn)換器ICL7107，恒流源產(chǎn)生的10mA電流流經(jīng)待測線圈，產(chǎn)生一個(gè)與線圈阻值成正比的壓降。此壓降通過三位半A／D轉(zhuǎn)換器直接轉(zhuǎn)換為七段碼形式的十進(jìn)制數(shù)據(jù)流，直接送至顯示輸出部分，由LED數(shù)碼管顯示輸出。 數(shù)據(jù)處理部分 這部分有三個(gè)功能： (1)將A／D轉(zhuǎn)換器輸出的七段碼形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BCD碼； (2)將轉(zhuǎn)換好的的BCD碼數(shù)據(jù)進(jìn)行相減，實(shí)現(xiàn)電阻值求差功能； (3)將轉(zhuǎn)換好的BCD碼數(shù)據(jù)與設(shè)定的上下限進(jìn)行比較，第2步得到的電阻差值與基準(zhǔn)比較值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)比較功能。 本文著重介紹這一部分的原理以及實(shí)現(xiàn)。針對數(shù)據(jù)處理部分，這一部分功能可以采用三種方案來實(shí)現(xiàn)： (1)采用ALU和7485系列芯片來實(shí)現(xiàn)，這種方案需要6個(gè)ALU單元(3片處理4位BCD減法的單元和3片處理借位的單元)和18片74LS85芯片(作為數(shù)字比較器)，占用相當(dāng)大的系統(tǒng)面積，并且看起來非常繁瑣功能復(fù)雜，不直觀。時(shí)間延遲大，測量誤差也比較大。 (2)完全采用數(shù)字組合邏輯電路來實(shí)現(xiàn)，這一方案設(shè)計(jì)門檻比較低，但是占用的系統(tǒng)面積、功耗和測量誤差比第一種方案大的多，達(dá)到較難以實(shí)現(xiàn)的地步。 (3)采用FPGA來實(shí)現(xiàn)，把本部分要實(shí)現(xiàn)的功能完全集成在一塊FPGA上，與上述兩個(gè)方案比較，大大節(jié)省面積，系統(tǒng)功能讓人一目了然，而且儀器穩(wěn)準(zhǔn)度更高，反應(yīng)速度更快 顯示輸出部分 該部分有LED顯示燈(紅、綠)和LED數(shù)碼管組成，根據(jù)輸入顯示相應(yīng)結(jié)果。 FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理功能 測試儀中通過待測線圈的壓降通過三位半A／I)轉(zhuǎn)換器ICL7107后，一輸出的數(shù)據(jù)(samplel、sample2)均為七段碼形式的十進(jìn)制三位數(shù)(個(gè)、十、百位)，要求與兩個(gè)可調(diào)的上下限(BCD碼撥碼輸入)進(jìn)行比較，若在比較限度內(nèi)則亮綠燈(greenl、green2)，否則亮紅燈(rerll、red2)。另外，兩個(gè)采樣值相減，若其差值(sub)在固定范圍以內(nèi)則亮綠燈(green3)，否則亮紅燈(red3)。所有的綠燈亮，總控的綠燈(greerl)才亮，否則，總控紅燈(red)亮。設(shè)計(jì)方案按照TOP—DOwN的思想對系統(tǒng)進(jìn)行整體功能劃分，再以BOTTOM—uP方式進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入，使系統(tǒng)具有層次感(hierarchy)，各個(gè)功能模塊內(nèi)包含小的模塊，也便于模塊的重復(fù)調(diào)用，最后進(jìn)行芯片的功能、性能等各項(xiàng)模擬。各模塊功能及結(jié)構(gòu)圖介紹如下： datachange(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換)模塊 將輸人為七段碼的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BcD碼，輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，直接送到顯示輸出部分，在LED數(shù)碼管上顯示出來，如圖2所示。 suball(減法)模塊 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的核心部分，包括3個(gè)子模塊，來實(shí)現(xiàn)采樣的兩個(gè)12位BCD碼數(shù)之間的相減。其中的核心子模塊為4位BcD減法模塊，通過借位，將此模塊串接，實(shí)現(xiàn)模塊復(fù)用。將差值送到顯示輸出部分，在LED數(shù)碼管上顯示出來，如圖3所示。 compareall(比較)模塊 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)(A、B)同設(shè)定的上下限(圖中為upperl、lower。1和upper2、lower2)進(jìn)行比較；減法模塊得出的差值(sub)，與設(shè)定的基準(zhǔn)值c進(jìn)行比較。最后輸出比較結(jié)果，將結(jié)果送到顯示輸出部分，以LED顯示燈形式來顯示結(jié)果，如圖4所示。 lamp模塊 總控顯示燈選擇模塊，根據(jù)輸入的結(jié)果來決定輸出燈的顏色，如圖5所示。 具體算法流程如圖6所示。 仿真驗(yàn)證 數(shù)據(jù)處理模塊采用verilog語言編寫，用Maxplus II進(jìn)行功能仿真，設(shè)定upperl與upperl2值均為400(即上限4.0Ω)，lowerl與lower2值均為300(即下限3.0Ω)，基準(zhǔn)比較值C為025(即電阻差值最大限度為0.25)，采用六組不同區(qū)間數(shù)據(jù)作為采樣輸入，仿真結(jié)果如圖7所示。 波形顯示該算法完全正確，功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。我們采用Altera公司Cyclone系列的EPlC3芯片，進(jìn)行FPGA仿真，并將其應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中，完全達(dá)到預(yù)期效果。為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的精確度，采用精密數(shù)字微歐計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)，該儀表測量準(zhǔn)確度達(dá)0.1％，分辨率最高可達(dá)1mΩ。 本文提出的設(shè)計(jì)方法，從實(shí)際應(yīng)用來看，節(jié)省了面積開銷，儀器穩(wěn)準(zhǔn)度更高，反應(yīng)速度更快，并且降低了系統(tǒng)整體電路的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)集成度。經(jīng)軟件仿真和實(shí)際功能驗(yàn)證．證明設(shè)計(jì)可靠、設(shè)計(jì)方案可行，在實(shí)際應(yīng)用中有較大的實(shí)用價(jià)值。 |
