《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的通道數(shù)可調(diào)高精度采集系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
田皓文，郭世旭，朱錳琪，趙 鵬
中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)測(cè)工程學(xué)院，浙江 杭州310018
摘要： 在聲學(xué)相機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，針對(duì)聲場(chǎng)信號(hào)的高精度采集以及多傳感器信息的實(shí)時(shí)傳輸需求，設(shè)計(jì)了一種集成了PGA、Σ-Δ型ADC、FPGA以及千兆以太網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并模塊化，并給出了通道擴(kuò)展條件。經(jīng)性能測(cè)試表明，該模塊在55 kHz帶寬下采樣誤差為0.000 2%，自噪聲為9 μV，并且擁有110 dB的動(dòng)態(tài)范圍，其性能優(yōu)于常用的振動(dòng)聲學(xué)多通道采集設(shè)備，且具有擴(kuò)展性好、成本低的特點(diǎn)。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN79；TP274+.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190816
中文引用格式： 田皓文，郭世旭，朱錳琪，等. 基于FPGA的通道數(shù)可調(diào)高精度采集系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(2)：53-57，61.
英文引用格式： Tian Haowen，Guo Shixu，Zhu Mengqi，et al. Modular design of channel number adjustable and high precision acquisition system based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(2)：53-57，61.
Modular design of channel number adjustable and high precision acquisition system based on FPGA
Tian Haowen，Guo Shixu，Zhu Mengqi，Zhao Peng
School of Metrological Technology and Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China
Abstract： In the development of acoustic camera, aiming at the need of high-precision acquisition of acoustic field signals and real-time transmission of multi-sensor information, a modularized data acquisition system is designed, which integrates PGA, Σ-Δ ADC, FPGA as well as Gigabit Ethernet communication, and the condition of channel extension is given. According to the performance test, it shows that the sampling error of this module is 0.000 2%, the self-noise is 9 μV, and it has the advantages of 110 dB dynamic range under the bandwidth of 55 kHz, not only its performance better than the most often used multi-channel data acquisition device of vibration acoustics, but also has the characteristics of good extendibility and lower development cost.
Key words : acoustic camera；FPGA；Gigabit Ethernet；data acquisition system；channel number adjustable

0 引言

    聲學(xué)相機(jī)是一種將空間視頻信息與聲場(chǎng)測(cè)量信息結(jié)合并可視化顯示的技術(shù)，主要由傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分組成，廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)略軍工、工業(yè)降噪、無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域[1-3]。目前，德國(guó)CAE公司Bionic 112 Array系列聲學(xué)相機(jī)擁有112個(gè)傳聲器陣元、24 bit的分辨率以及48 kHz的采樣率，實(shí)現(xiàn)了距離大于0.2 m遠(yuǎn)場(chǎng)聲源的二維成像[4]；丹麥B&K也研制出了30陣元的便捷式聲學(xué)相機(jī)PULSE Reflex系列[5]。國(guó)內(nèi)，其高科技基于32通道的優(yōu)化曲面陣推出了高性能的KeyVES-U系列，實(shí)現(xiàn)了對(duì)300 kHz~12 kHz聲源的定位成像，并通過(guò)PXI總線完成數(shù)據(jù)的傳輸[6]。

    聲學(xué)相機(jī)對(duì)采集系統(tǒng)的自噪聲非常敏感[7]，并且需要同步地獲取大量傳聲器接收到的聲學(xué)信號(hào)[8]，以及實(shí)現(xiàn)大帶寬下的數(shù)據(jù)傳輸[9]，因此一款高性能的聲學(xué)相機(jī)就對(duì)采集系統(tǒng)的采樣精度、本底噪聲、通道數(shù)量等性能指標(biāo)提出了較高的要求。本文針對(duì)這一問(wèn)題設(shè)計(jì)了一款基于FPGA控制的數(shù)據(jù)采集模塊，解決了不同聲學(xué)相機(jī)所需通道數(shù)不同的難題，滿(mǎn)足對(duì)不同種類(lèi)傳聲器陣元的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的需求，并且論述了該模塊的整體設(shè)計(jì)過(guò)程與擴(kuò)展性分析，通過(guò)實(shí)際測(cè)試給出了采集模塊性能指標(biāo)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

    隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，F(xiàn)PGA的性能和容量在逐年地提升，其價(jià)格和功耗卻持續(xù)降低，越來(lái)越多嵌入式儀器儀表的開(kāi)發(fā)都采用了FPGA作為最優(yōu)解決方案[10-12]。本次設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)主要由FPGA、采集模塊組以及千兆以太網(wǎng)通信三部分構(gòu)成，如圖1所示。

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    上位機(jī)通過(guò)千兆以太網(wǎng)發(fā)送的命令幀格式如表1所示，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷饺鐖D2所示。

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1.2 采集模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 器件的選型

    采集模塊中ADC芯片的選取需要考慮其轉(zhuǎn)換類(lèi)型、量程、分辨率、采樣率、通道數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍、輸入輸出接口等參數(shù)[13]，表2列舉了工程中常見(jiàn)的幾款A(yù)DC芯片的性能指標(biāo)，本次設(shè)計(jì)擇優(yōu)選擇了ADI公司推出的AD7768芯片。

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    由于傳聲器的輸出電壓信號(hào)通常是毫伏級(jí)別，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ADC芯片的量程范圍，因此，需要對(duì)輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理，選取PGA芯片作為整個(gè)采集系統(tǒng)的輸入級(jí)，使得采集模塊的輸入阻抗大于1 GΩ，并且通過(guò)改變PGA的增益系數(shù)可靈活匹配不同種類(lèi)傳聲器的信號(hào)放大需求。表3列舉了幾款常見(jiàn)的PGA芯片性能指標(biāo)，擇優(yōu)選擇了TI公司推出的PGA4311芯片，通過(guò)LTC6363芯片將PGA輸出的電壓信號(hào)完成單端轉(zhuǎn)差分的操作，以匹配了AD7768芯片的差分輸入接口。

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1.2.2 可擴(kuò)展性分析

    采集模塊硬件構(gòu)成如圖3所示，總共消耗FPGA的I/O資源數(shù)為16個(gè)。由圖2可知，單個(gè)采集模塊每個(gè)網(wǎng)絡(luò)包占用42 B固定包頭、4 B的幀頭、4 B的包計(jì)數(shù)以及4 B的CRC校驗(yàn)，單個(gè)模塊1次采樣有32 B數(shù)據(jù)，上位機(jī)要求一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)中包含M個(gè)采集模塊N次同步采樣的數(shù)據(jù)，則發(fā)送一個(gè)包的時(shí)間T為：

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    通過(guò)硬件上增添采集模塊，并根據(jù)式(2)和式(3)調(diào)整AD采樣率fs以及單次發(fā)送的采集點(diǎn)數(shù)N即可實(shí)現(xiàn)通道數(shù)可調(diào)的功能。例如，fs設(shè)置為125 kHz，128通道同步采集(M=16)，一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)中包含8次采集數(shù)據(jù)(N=8)，可以求得發(fā)送時(shí)間T=33.2 μs，緩存N次的時(shí)間為64 μs，消耗I/O數(shù)量256個(gè)，滿(mǎn)足了通道數(shù)擴(kuò)展的條件。

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2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    程序流程圖如圖4所示，程序上實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與FPGA之間的千兆以太網(wǎng)通信、FPGA對(duì)上位機(jī)指令的響應(yīng)與校驗(yàn)以及采集數(shù)據(jù)高速緩存與實(shí)時(shí)上傳。

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2.1 指令校驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

    FPGA通過(guò)同步于以太網(wǎng)時(shí)鐘信號(hào)上升沿對(duì)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連續(xù)地判斷，該模塊的邏輯仿真波形如圖5所示，實(shí)現(xiàn)功能如下：

    (1)識(shí)別出上位機(jī)的全局啟動(dòng)指令，并將全局使能信號(hào)(en_glob)置“1”，隨后，當(dāng)接收到全局停止指令后，清零全局使能信號(hào)；

    (2)識(shí)別出上位機(jī)的PGA配置指令，將PGA的配置使能信號(hào)(en_pga_w)置“1”，并寄存配置信息到寄存器“pga_data”中，當(dāng)PGA配置完成后將使能信號(hào)置“0”；

    (3)識(shí)別出上位機(jī)的ADC寄存器配置指令，置“1”ADC的配置使能信號(hào)(en_adc_w)后寄存配置信息到寄存器“adc_addr_data”中，當(dāng)ADC配置完成后清零使能信號(hào)。

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2.2 PGA控制模塊

    PGA4311芯片通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)與FPGA芯片的數(shù)據(jù)交互。對(duì)級(jí)聯(lián)的PGA芯片進(jìn)行配置時(shí)，需要對(duì)第一片PGA連續(xù)進(jìn)行兩次增益系數(shù)的配置，PGA通道寄存器輸入的數(shù)據(jù)L(1~255十進(jìn)制)與實(shí)際增益系數(shù)K的關(guān)系如式(4)所示：

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    PGA控制模塊實(shí)現(xiàn)的功能如下：

    (1)當(dāng)采集系統(tǒng)接收到上位機(jī)發(fā)出的全局使能指令時(shí)，對(duì)所有通道寫(xiě)入十六進(jìn)制數(shù)“C0”，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的默認(rèn)配置功能；

    (2)當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別到上位機(jī)發(fā)送的在線修改指令時(shí)，將指定參數(shù)寫(xiě)入PGA芯片，并返回等待指令狀態(tài)。

    如圖6的邏輯仿真圖所示，首先，全局使能后通過(guò)兩次SPI通信完成了8個(gè)通道增益系數(shù)的默認(rèn)配置，隨后，分別實(shí)現(xiàn)了兩次在線修改各通道增益寄存器的操作。

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2.3 ADC控制模塊

    AD7768芯片的數(shù)據(jù)輸出形式如圖7所示，其中“DRDY”信號(hào)的頻率代表了ADC的采樣率，F(xiàn)PGA根據(jù)每個(gè)“DCLK”的下降沿對(duì)“DOUT”進(jìn)行讀取。

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    圖8為系統(tǒng)工作在125 kHz采樣率下，F(xiàn)PGA讀取單個(gè)采集模塊ADC通道7數(shù)據(jù)的實(shí)際邏輯波形圖，其中“AD_Data_Valid”信號(hào)作為FIFO的寫(xiě)時(shí)鐘信號(hào)，另外，“ad_go”為后級(jí)以太網(wǎng)傳輸?shù)陌l(fā)送使能脈沖。

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2.4 千兆以太網(wǎng)控制模塊

    千兆以太網(wǎng)控制模塊的主要功能如下：

    (1)ARP協(xié)議獲取并緩存上位機(jī)的MAC地址與IP地址；

    (2)UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)指令回饋與數(shù)據(jù)傳輸功能；

    (3)通過(guò)ICMP協(xié)議實(shí)時(shí)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接是否暢通。

    上位機(jī)發(fā)送18 B的“AA”對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)抓包測(cè)試，ARP應(yīng)答與指令響應(yīng)功能如圖9所示；上位機(jī)通過(guò)DOS系統(tǒng)，輸入ping指令對(duì)ICMP協(xié)議進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如圖10所示。

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3 性能指標(biāo)

3.1 轉(zhuǎn)換精度

    輸入直流電壓，并配置AD采樣率為125 kHz，PGA增益為0 dB，采集系統(tǒng)輸出對(duì)應(yīng)電壓值V的計(jì)算如式(5)所示：

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其中，VD為AD7768的輸出補(bǔ)碼形式，Vref為4.096 V參考電壓。采集模塊8個(gè)通道的測(cè)量結(jié)果的平均值與USB-4431采集卡所測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以及采集模塊的轉(zhuǎn)換誤差如表4所示。

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    根據(jù)式(4)，設(shè)置PGA增益為20 dB與31.5 dB，采集模塊對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果如表5所示。

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3.2 自噪聲與動(dòng)態(tài)范圍

    將采集模塊輸入端短接至模擬地，PGA增益配置為0 dB，測(cè)量采集模塊在不同工作模式與不同采樣率下輸出的平均本底噪聲Vrms，并根據(jù)式(6)計(jì)算其動(dòng)態(tài)范圍DR：

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    測(cè)試結(jié)果如表6所示。

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    上位機(jī)對(duì)采集模塊本底噪以及USB-4431采集卡的本底噪聲進(jìn)行功率譜分析，對(duì)比結(jié)果如圖11所示。

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3.3 上位機(jī)波形顯示

    采集模塊的通道0與通道7通過(guò)信號(hào)源分別輸入頻率為5 kHz、相位差為90°、峰峰值為7 V的正弦波，且采樣率配置為125 kHz，上位機(jī)通過(guò)千兆網(wǎng)口實(shí)時(shí)接收采集數(shù)據(jù)，波形顯示結(jié)果如圖12所示。其中，通道0采集數(shù)據(jù)以虛線表示，通道7采集數(shù)據(jù)以實(shí)線表示。

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4 結(jié)論

    本文通過(guò)分析聲學(xué)相機(jī)的開(kāi)發(fā)需求，對(duì)比了工程中常用的IC芯片，從低噪聲與通道數(shù)可擴(kuò)展的角度研究并設(shè)計(jì)了一款由FPGA主控的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并模塊化，詳細(xì)闡述了模塊設(shè)計(jì)過(guò)程，并給出了模塊擴(kuò)展條件以及性能測(cè)試指標(biāo)。對(duì)比現(xiàn)有的成品采集卡USB-44311，本次設(shè)計(jì)的采集模塊轉(zhuǎn)換精度更高、自噪聲更低、動(dòng)態(tài)范圍更寬且易于擴(kuò)展，節(jié)省了大量的開(kāi)發(fā)成本，滿(mǎn)足了聲學(xué)相機(jī)中采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需求。

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作者信息:

田皓文，郭世旭，朱錳琪，趙  鵬

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)測(cè)工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

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