孫 甜 張 碩 龐存鎖

(中北大學(xué) 太原 030051)

0 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的進(jìn)一步普及與發(fā)展,我們對(duì)信息要求越來越高,推動(dòng)著A/D、D/A采樣率的提高,信息數(shù)據(jù)的采集和傳輸?shù)戎饕男畔⒓夹g(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、通訊、醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。

在采集超聲信號(hào)時(shí)，需要同時(shí)監(jiān)測幾路信號(hào)，或者需要接收處理各種信號(hào)，并且由于接收各路信號(hào)的時(shí)間不同，而且接收速率也可能不同，這時(shí)就需要使用到多速率信號(hào)處理了。由于單通道采樣率提升難度大且成本高，在某些情況下要實(shí)現(xiàn)既要采樣率高又要分辨率高時(shí)，一般就是用多塊高采樣精度的采樣芯片進(jìn)行時(shí)間上的交錯(cuò)采樣提高采樣率。在高速采樣設(shè)備中由于采樣速率高帶寬大，不能做到實(shí)時(shí)的傳輸，所以大多數(shù)采樣設(shè)備都采取數(shù)據(jù)緩存策略，將前端采樣卡采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行暫時(shí)的緩存，然后再進(jìn)一步進(jìn)行傳輸。

故本文基于FPGA開發(fā)平臺(tái)擬設(shè)計(jì)多路高速高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備結(jié)合以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，旨在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)采集傳輸實(shí)時(shí)性。

1 總體設(shè)計(jì)

多路超聲信號(hào)采集與傳輸系統(tǒng)[1-4]主要由信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集和數(shù)據(jù)傳輸三部分組成?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

4路的模擬信號(hào)先通過一個(gè)放大電路，F(xiàn)PGA控制A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)所輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行數(shù)字帶通濾波，最后完成了信號(hào)的采集。在以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，上機(jī)位軟件通過以太網(wǎng)芯片向上位機(jī)發(fā)送一個(gè)讀數(shù)指令，然后將所有被采集的數(shù)據(jù)信號(hào)通過以太網(wǎng)傳輸返回到上位機(jī)，對(duì)這些數(shù)據(jù)都進(jìn)行顯示、保存。

2 多路超聲信號(hào)采集與傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)調(diào)理模塊

2.1.1 數(shù)字帶通濾波器

數(shù)字濾波器[5-6]常常被廣泛應(yīng)用在一定的時(shí)域內(nèi)或頻率范圍內(nèi)來改變信號(hào)的特征，常見的數(shù)字濾波器為線性時(shí)間非變量(LTI)濾波器。LTI與其他濾波器的輸入和信號(hào)之間相互作用,經(jīng)過一個(gè)關(guān)于線性卷積的輸入和信號(hào)過程,線性卷積這個(gè)過程的正式定義和描述如下:

(1)

因?yàn)镕IR 濾波器相對(duì)于IIR濾波器的優(yōu)勢在：

1)線性相位的性能很容易實(shí)現(xiàn)。

2)多頻帶濾波器是可行的。

所以采用FIR濾波器。FIR濾波器的原理如下：

一個(gè)數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以表示為

(2)

輸入和輸出之間的關(guān)系的常系數(shù)線性差分方程為

(3)

對(duì)因果的 FIR系統(tǒng)，式(3)可簡化為

(4)

對(duì)于LTI系統(tǒng)，表達(dá)式(4)可以更方便地表示為Z域形式為

Y[z]=H[z]X[z]

(5)

用 FIR 的傳遞函數(shù)H(z)表示為

(6)

2.1.2 放大電路設(shè)計(jì)

AD603是一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片，是一個(gè)低噪、90MHz帶寬增益自動(dòng)調(diào)劑的集成運(yùn)放。

本設(shè)計(jì)的放大電路選用AD603作為主放大器，采用兩片AD603進(jìn)行順序級(jí)聯(lián)的模式進(jìn)行放大，當(dāng)DA轉(zhuǎn)換器電壓在1V～3.5V之間進(jìn)行變化時(shí)，通過兩級(jí)AD603可以實(shí)現(xiàn)從-20dB～60dB的線性動(dòng)態(tài)范圍。原理圖如圖2所示。

圖2 基于AD603的放大電路原理圖

2.2 信號(hào)采集與顯示模塊

2.2.1 AD9238采集原理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集[7-10]采用的是黑金高速AD模塊AN9238，它為2路65MSPS，12位的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)模塊。其中AD轉(zhuǎn)換模塊采用的是ADI公司的AD9238芯片，AD9238芯片支持2 路AD輸入轉(zhuǎn)換。模擬信號(hào)的輸入支持單端模擬信號(hào)的輸入，輸入電壓范圍為-5V～+5V。AD9238的原理圖如圖3所示。

圖3 AD9238原理圖

AD9238雙通道AD的數(shù)字輸出為+3.3V的CMOS輸出模式，2路通道(A和B)獨(dú)立的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘。AD數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA端可用AD時(shí)鐘在上升沿采樣的AD數(shù)據(jù)。AD9238工作的時(shí)序電路如圖4所示。

圖4 時(shí)序電路圖

2.2.2 偽同步四通道設(shè)計(jì)

偽同步采集方案的原理如圖5所示。偽同步采集方案與同步采集方案的原理相似，只是偽同步采集方案只采用一路ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，前一路數(shù)據(jù)采集完畢后，下一路模擬開關(guān)打開，下一路的采樣保持器上的數(shù)據(jù)傳到ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，之前的采集通道關(guān)閉，但是采樣保持器繼續(xù)工作，繼續(xù)采集現(xiàn)在的數(shù)據(jù)信息，所以叫偽同步采集。

圖5 偽同步四通道采集

2.2.3 HDMI顯示

本文的設(shè)計(jì)沒有使用HDMI編碼芯片，而是將FPGA的3.3V差分IO直接連接到HDMI連接器，F(xiàn)PGA完成24位RGB編碼輸出TMDS差分信號(hào)。

HDMI[11]顯示屏開始從屏幕左上角開始掃描，并且由左向右逐點(diǎn)掃描。掃描各行后，電子束返回到屏幕左側(cè)下一行開始的位置。CRT將接收到消隱電子束，并在各行的末尾使用行同步信號(hào)對(duì)其進(jìn)行同步;當(dāng)掃描全部線路都是形成幀時(shí)，用場同步信號(hào)與掃描器同步場，使得掃描返回到屏幕的左上角。同時(shí)，進(jìn)行場消隱，開始接收下一幀。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

2.3.1 ZYQN平臺(tái)結(jié)構(gòu)

Zynq-7000平臺(tái)[12-16]是本論文設(shè)計(jì)的核心，采用ARM和FPGA相結(jié)合的架構(gòu)，芯片功能被劃分成 PS 和PL兩部分,PS相當(dāng)于ARM,而PL也就是 FPGA,是完全靈活的,滿足設(shè)計(jì)。其中PS和PL兩部分是通過AXI接口來實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的，相比于常用的AHB總線協(xié)議,AXI總線具有更好的性能和更高的帶寬,而且這種片內(nèi)通信模式使數(shù)據(jù)通信更加可靠、高效,還可以降低功耗。

2.3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

AD9238數(shù)據(jù)經(jīng)過自定義的IP，自定義的IP將ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成AXI流接口，通過一個(gè)Axis_register_slice改善一下時(shí)序，然后發(fā)送到DMA控制器傳送到HP口寫到PS端的DDR[17]里，最后通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。數(shù)據(jù)傳輸模塊框圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸模塊框圖

3 系統(tǒng)各模塊實(shí)現(xiàn)

3.1 放大電路

放大前是1VPP的信號(hào)，經(jīng)過放大后實(shí)現(xiàn)了5VPP的放大效果，效果對(duì)比圖如圖7所示。

3.2 數(shù)字帶通濾波器

將AD9238采樣后的信號(hào)在Matlab中進(jìn)行量化，并以“.coe”文件形式輸出,生成的“.coe”文件用來被FPGA中的IP進(jìn)行調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)帶通濾波作用。

信號(hào)經(jīng)過量化后產(chǎn)生的抽頭參數(shù)如圖8所示，濾波后的效果圖如圖9所示。

圖8 采集信號(hào)進(jìn)行量化后的抽頭參數(shù)

圖9 待濾波信號(hào)通過濾波的效果圖

3.3 信號(hào)采集和HDMI顯示

3.3.1 ila在線邏輯分析儀如圖10所示。

圖10 ila邏輯分析儀雙通道信號(hào)顯示

3.3.2 HDMI顯示如圖11所示。

圖11 HDMI雙通道信號(hào)采集顯示

3.4 數(shù)據(jù)傳輸

串口助手上顯示的IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)三個(gè)內(nèi)容以及示波器上顯示的波形，說明ad9238采集來的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸實(shí)現(xiàn)了。putty中打印的信息顯示圖如圖12所示，示波器(上位機(jī))上顯示的波形如圖13所示。

圖12 putty中打印的信息顯示圖

圖13 示波器(上位機(jī))上顯示的波形

4 系統(tǒng)測試

1)用超聲探頭產(chǎn)生頻率為50kHz的信號(hào)，經(jīng)過AD9238采集后顯示在HDMI上。詳見圖14至圖16。

圖14 50kHz超聲探頭硬件連接圖

圖15 頻率為50kHz的超聲信號(hào)示波器顯示

圖16 采集到的50kHz超聲信號(hào)HDMI顯示

2)超聲信號(hào)頻率為100kHz采集的信號(hào)在HDMI上的顯示。詳見圖17至圖19。

圖17 100kHz超聲探頭硬件連接圖

圖19 采集到的100kHz超聲信號(hào)HDMI顯示

3)超聲信號(hào)頻率為250kHz采集的信號(hào)在HDMI上的顯示。詳見圖20至圖22。

圖20 250kHz超聲探頭硬件連接圖

圖21 頻率為250kHz的超聲信號(hào)示波器顯示

圖22 采集到的250kHz超聲信號(hào)HDMI顯示

4)超聲信號(hào)頻率為500kHz采集的信號(hào)在HDMI上的顯示。詳見圖23至圖25。

圖23 500kHz超聲探頭硬件連接圖

圖24 頻率為500kHz的超聲信號(hào)示波器顯示

圖25 采集到的500kHz超聲信號(hào)HDMI顯示

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用zynq-7000系列的ac7010開展多通道的信號(hào)采集與傳輸，由于該開發(fā)板的排針數(shù)量以及以太網(wǎng)芯片的速率，所以采用AD9238實(shí)現(xiàn)偽同步四通道信號(hào)采集。在信號(hào)采集前首先進(jìn)行了信號(hào)的放大：采用了兩片進(jìn)行順序級(jí)聯(lián)的AD603實(shí)現(xiàn)-20dB～60dB的動(dòng)態(tài)范圍的放大電路；在信號(hào)進(jìn)行采集結(jié)束進(jìn)入傳輸階段使用了數(shù)字帶通濾波器，應(yīng)用的是ac7010的特點(diǎn)，可以將AD9238采集回來的數(shù)據(jù)在vivado中通過IP核的調(diào)用實(shí)現(xiàn)帶通濾波的效果，并且因?yàn)槭菙?shù)字濾波，所以可以實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)頻率的多樣性。因?yàn)锳C7010是FPGA和ARM結(jié)合的開發(fā)板，所以AD9238采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過自定義的IP，將ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成AXI流接口并且改善時(shí)序，然后將數(shù)據(jù)通過DMA控制器傳送到HP口寫到PS端的DDR里，最后通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。