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隨著微電子技術的發展，采用現場可編程門陣列(FPGA)進行數字信號處理得到了飛速發展。由于FPGA具有現場可編程的特點，可以實現專用集成電路，因此越來越受到硬件電路設計工程師們的青睞。 目前，在自動化監測與控制儀器和裝置中，大多以8位或16位MCU為核心部件。然而伴隨著生產技術的進步和發展，對監測與控制的要求也在不斷提高，面對日益復雜的監測對象和控制算法，傳統的MCU往往不堪重負。把FPGA運用到這些儀表和設備中，可以減少這些儀器、設備的開發周期，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鍵部分用FPGA硬件電路來實現，可以節省系統的面積開銷、減少所用的芯片數和PCB板塊數，提升系統性能，并降低成本。 低阻值、高精度測試儀系統結構介紹 系統的待測體是一個繞有三組銅線圈的機構，外形尺寸大約是7×7×6(mm)，外形結構較復雜。由于系統要通過測量待測線圈的阻值，來確定線圈的圈數，因此，要求有比較高的測量精度。按照工廠流水線作業的要求，待測體電阻值均在5Q以下，測量精度在±0.01Ω以內，反應速度在0.8s以內。整個測試系統由數據采樣模塊、數據處理模塊和顯示輸出模塊組成，如圖1所示。 數據采樣部分 由于本系統要對微小電阻進行精確測量，因此采用四引線制測量法，配以高精度、低溫漂的恒流源。本系統的A／D轉換芯片采用Intersil公司的三位半A／I)轉換器ICL7107，恒流源產生的10mA電流流經待測線圈，產生一個與線圈阻值成正比的壓降。此壓降通過三位半A／D轉換器直接轉換為七段碼形式的十進制數據流，直接送至顯示輸出部分，由LED數碼管顯示輸出。 數據處理部分 這部分有三個功能： (1)將A／D轉換器輸出的七段碼形式的數據轉換為BCD碼； (2)將轉換好的的BCD碼數據進行相減，實現電阻值求差功能； (3)將轉換好的BCD碼數據與設定的上下限進行比較，第2步得到的電阻差值與基準比較值進行比較，實現比較功能。 本文著重介紹這一部分的原理以及實現。針對數據處理部分，這一部分功能可以采用三種方案來實現： (1)采用ALU和7485系列芯片來實現，這種方案需要6個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(作為數字比較器)，占用相當大的系統面積，并且看起來非常繁瑣功能復雜，不直觀。時間延遲大，測量誤差也比較大。 (2)完全采用數字組合邏輯電路來實現，這一方案設計門檻比較低，但是占用的系統面積、功耗和測量誤差比第一種方案大的多，達到較難以實現的地步。 (3)采用FPGA來實現，把本部分要實現的功能完全集成在一塊FPGA上，與上述兩個方案比較，大大節省面積，系統功能讓人一目了然，而且儀器穩準度更高，反應速度更快 顯示輸出部分 該部分有LED顯示燈(紅、綠)和LED數碼管組成，根據輸入顯示相應結果。 FPGA實現的數據處理功能 測試儀中通過待測線圈的壓降通過三位半A／I)轉換器ICL7107后，一輸出的數據(samplel、sample2)均為七段碼形式的十進制三位數(個、十、百位)，要求與兩個可調的上下限(BCD碼撥碼輸入)進行比較，若在比較限度內則亮綠燈(greenl、green2)，否則亮紅燈(rerll、red2)。另外，兩個采樣值相減，若其差值(sub)在固定范圍以內則亮綠燈(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。設計方案按照TOP—DOwN的思想對系統進行整體功能劃分，再以BOTTOM—uP方式進行設計輸入，使系統具有層次感(hierarchy)，各個功能模塊內包含小的模塊，也便于模塊的重復調用，最后進行芯片的功能、性能等各項模擬。各模塊功能及結構圖介紹如下： datachange(數據轉換)模塊 將輸人為七段碼的數據轉換為BcD碼，輸出轉換后的數據，直接送到顯示輸出部分，在LED數碼管上顯示出來，如圖2所示。 suball(減法)模塊 系統數據處理的核心部分，包括3個子模塊，來實現采樣的兩個12位BCD碼數之間的相減。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，實現模塊復用。將差值送到顯示輸出部分，在LED數碼管上顯示出來，如圖3所示。 compareall(比較)模塊 實現轉換后數據(A、B)同設定的上下限(圖中為upperl、lower。1和upper2、lower2)進行比較；減法模塊得出的差值(sub)，與設定的基準值c進行比較。最后輸出比較結果，將結果送到顯示輸出部分，以LED顯示燈形式來顯示結果，如圖4所示。 lamp模塊 總控顯示燈選擇模塊，根據輸入的結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。 仿真驗證 數據處理模塊采用verilog語言編寫，用Maxplus II進行功能仿真，設定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)，采用六組不同區間數據作為采樣輸入，仿真結果如圖7所示。 波形顯示該算法完全正確，功能達到設計要求。我們采用Altera公司Cyclone系列的EPlC3芯片，進行FPGA仿真，并將其應用于實際系統中，完全達到預期效果。為了檢驗系統的精確度，采用精密數字微歐計進行校驗，該儀表測量準確度達0.1％，分辨率最高可達1mΩ。 本文提出的設計方法，從實際應用來看，節省了面積開銷，儀器穩準度更高，反應速度更快，并且降低了系統整體電路的復雜度，提高了系統集成度。經軟件仿真和實際功能驗證．證明設計可靠、設計方案可行，在實際應用中有較大的實用價值。 |
