K-ECA46

激光多普勒測振計信號采集與處理系統(tǒng)要求既要具有高速實時的采集和處理能力，也要具有豐富的外部接口，同時，考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈活性的要求，采用核心板和底層板結(jié)合的硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，F(xiàn)PGA 芯片采用Atera 公司的Cyclone Ⅱ 系列EP2C5Q208C8N，它采用90 nm 工藝，具有4 608個邏輯單元。此外，系統(tǒng)還包括信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路模塊、D/A 轉(zhuǎn)換電路模塊和外部接口單元等部分組成。

　　系統(tǒng)采用±15 V 電源供電，選用多塊電壓轉(zhuǎn)換芯片，提供5 V，1.8 V，3.3 V和1.2 V電壓。

　　系統(tǒng)原理框圖

　　2 信號采集和處理系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 硬件電路設(shè)計

　　激光多普勒測振計信號采集與處理系統(tǒng)采用核心板和底層板結(jié)合的硬件結(jié)構(gòu)，核心板主要包括FPGA芯片、串行配置芯片（EPCS）、聯(lián)合測試調(diào)試接口（JTAG），其通過108個引腳插針與底層板插座一一對應(yīng)連接。

　　底層板電路主要包括電源轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和串行通信轉(zhuǎn)換電路。

　　電源轉(zhuǎn)換電路通過7805 穩(wěn)壓芯片、AMS1117 穩(wěn)壓芯片和LM1085穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)電源電壓的轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)提供5 V，1.8 V，3.3 V 和1.2 V 電壓。信號調(diào)理電路模塊包括兩路差分放大電路，每路差分放大電路由一片的全差分音頻運算放大器芯片OPA1632 構(gòu)成。A/D 轉(zhuǎn)換電路模塊是在四通道16 位求和型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1174、穩(wěn)壓芯片REF1004 以及集成運放芯片OPA350的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，高速狀態(tài)下，ADS1174芯片速度可以達到52 KSPS，并支持多通道并行處理。采用DAC8551 和REF02 穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)D/A 轉(zhuǎn)換，DAC8551是一款16 位電壓輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，REF02 穩(wěn)壓芯片為DA芯片提供2.5 V的參考電壓。由于RS 232在通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，本文設(shè)計系統(tǒng)采用RS 232 串行方式進行通信，考慮到激光多普勒測振計信號采集與處理系統(tǒng)中FPGA 接口電路是TTL 電平，所以需要經(jīng)過MAX3232芯片實現(xiàn)與RS 232標準電平的轉(zhuǎn)換。硬件電路板如圖2所示。

硬件電路板圖

　　2.2 FPGA邏輯設(shè)計

　　在FPGA邏輯設(shè)計中，采用Altera公司的Quartus Ⅱ綜合開發(fā)環(huán)境對FPGA進行設(shè)計、仿真和調(diào)試，實現(xiàn)信號的采集和處理功能，F(xiàn)PGA邏輯設(shè)計工作流程圖如圖3所示。

　　FPGA邏輯設(shè)計工作流程圖

　　在工作過程中，F(xiàn)PGA首先檢測是否接收到數(shù)據(jù)采集完畢的使能信號，如果沒有接收到就一直進行檢測，如果收到就讀取16 位數(shù)據(jù)并緩存。當FIFO 接近全滿狀態(tài)時啟動數(shù)據(jù)處理邏輯，數(shù)據(jù)處理邏輯通過一系列乘加運算結(jié)合流水線的設(shè)計方法實現(xiàn)，并將運算結(jié)果適當截位輸出給雙口RAM.雙口RAM 擁有兩套完全獨立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線，當檢測到有數(shù)據(jù)輸入時，讀地址開始加1，否則讀地址保持不變。上位機準備就緒，即雙口RAM 數(shù)據(jù)準備輸出時，雙口RAM 寫地址開始加1，通過串行接口將數(shù)據(jù)輸出。在輸出模擬信號時，只有當DAC8551芯片輸入寄存器接收到24位數(shù)據(jù)，同時同步信號為低電平時，才能啟動 D/A轉(zhuǎn)換邏輯。LED顯示控制系統(tǒng)設(shè)計是采用單片機AT89C51作為主控制器，采用LED行列陣顯示及鍵盤同步中斷請求顯示的2種模式，實現(xiàn)串口通信并進行2種模式下的切換控制。系統(tǒng)成功地實現(xiàn)對I/O口通道控制以及鍵盤的中斷請求等功能控制。系統(tǒng)仿真環(huán)境的搭建是基于Proteus與Keil μVision 3軟件在聯(lián)合開發(fā)平臺中調(diào)試完成的。在調(diào)試的過程中，可以從多個方面直接觀察程序運行情況和電路工作分析，簡化了理論程序和設(shè)計實驗等過程，大大減少了代碼的開發(fā)周期，降低了硬件成本。

　　1 Keil μVision 3與protues簡介

　　Keil μVision 3是美國Keil SOFtware公司出品的C51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，其生成目標代碼的效率非常高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)語言的優(yōu)勢。

　　Proteus是英國Labcenter electonICs公司研發(fā)的電子設(shè)計自動化（EDA）系統(tǒng)，主要由ISIS電路設(shè)計與仿真平臺、Peospite模/數(shù)混合仿真器、VSM單片機/嵌入式系統(tǒng)協(xié)同仿真和ARES PCB設(shè)計構(gòu)成。在編譯調(diào)試方面，支持Keil μVision 3和MPLAB等第三方開發(fā)工具。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)開發(fā)框架

　　LED顯示控制系統(tǒng)設(shè)計由系統(tǒng)原理設(shè)計、系統(tǒng)代碼開發(fā)、硬件電路模擬仿真、軟硬件聯(lián)合調(diào)試、實物移植等組成。其中，代碼開發(fā)仿真模擬通過Proteus軟件與Keil μVision 3軟件之間相互聯(lián)合仿真進行設(shè)計。系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計框架如圖1所示。

　　系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計框圖

　　2.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件由單片機AT89C51系統(tǒng)和行列陣LED顯示模塊、上位機、串行顯示鍵盤模塊、晶振電路和存儲器模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　系統(tǒng)硬件模塊圖

　　硬件模塊主要完成的功能有：顯示屏的驅(qū)動，是通過與上位機間的串口通信接收文件信息并保存，通過行列驅(qū)動器控制完成LED的驅(qū)動。串行顯示鍵盤，為實現(xiàn)鍵盤輸入與顯示屏輸出實現(xiàn)同步，進行串口輸出模式切換，完成對LED的驅(qū)動，但由于系統(tǒng)中并行口的I/O資源不夠，而串行口又沒有其他作用，通過用數(shù)據(jù)鎖存模塊74LS164來擴展并行I/O口，節(jié)約單片機資源。將AT89C51串行通信口輸出的串行數(shù)據(jù)譯碼在其并口線上輸出，將顯示的數(shù)據(jù)直接送串口發(fā)送緩沖器，等待串行中斷即可。

Jefferson 25 KVA, 480X120/240, 1 Ph Trans

Square D 225 Amp Main Lug I-Line Panelboard

Federal Pacific 15 KVA, 3 Ph 480X460Y/277 Transformer

GS Hevi Duty Electric 25 KVA 575X120/240 1PHTransformer

GE 150 KVA 600X277/480 Transformer, 3 Phase

Hitran 27 KVA, 3 Phase, 208 x 120/208 Transformer

Sq D 15 KVA 600X120/240 Transformer, 1 Phase

Siemens SX312A10PL10, 1600 Amp Bus Duct

Siemens R310APG, 1000 Amp Bus Duct

Siemens SX312A10PL10, 1200 Amp Bus Duct

Square D 15 KVA, 1 Ph 600X120/240 Trans

Square D 225 KVA Transformer, 3 Phase, 480 x 240 Volt

Sorgel/Square D 150 KVA Transformer, 600 x 120/208 Volt

MGM 150 KVA Transformer, 480 x 240 Volt, 3 Phase

Westinghouse 75 KVA Transformer, 600 x 120/208 Volt

REX 50 KVA 1 Phase 575x120/240 Transformer

Square D 45 KVA Transformer, 3 Phase, 480x480/277 Volt

Cutler Hammer 75 KVA Transformer, 480 x 480/277 Volt

Federal Pacific 15 KVA 3 Ph 480 X 460Y/126 DRY TRANS

General Electric 15 KVA, 3 Ph 208X120/208 Transf

Hammond 15 KVA, 480X120/208 NEMA 3R, 3 Ph Trans

Hammond 112.5 KVA,3PH 480X120/208 NEMA 3R,Trans

Hammond 45 KVA,480X120/208 NEMA 3R, 3 Ph Trans

Hammond 30 KVA,480X120/208 NEMA 3R, 3 Ph Trans

Hammond 75 KVA,480X120/208 3 ph NEMA 3R Trans

GE 45 KVA 3PH 208X120/208 Cat #9T23B3093 DRY TRANS

Cutler Hammer 30 KVA 3PH 480 X 120/208 V48M28T30EE NEW

Square D 800 Amp I-Line Main Lug Panelboard

Square D 225 Amp, NQOD Main Lug Panelboard

ITE CE3-B100, 100 Amp Cordon Circuit Breaker

ITE CE3-B020, 20 Amp Cordon Circuit Breaker

ITE CE3-B030, 30 Amp Cordon Circuit Breaker

ITE HE3-B100, 100 Amp Circuit Breaker

ITE JL3-T225 Trip Unit