FPGA_ASIC-基于FPGA的高精度數(shù)據(jù)采集濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第33卷 第3期 電 子 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) Vol.33 No.3 2004年6月 Journal of UEST of China Jun. 2004基于FPGA的高精度數(shù)據(jù)采集濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)郭志勇 ，李廣軍(電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 成都 610054)【摘要】針對(duì)在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集問題，設(shè)計(jì)了弱信號(hào)的高精度數(shù)據(jù)采集濾波系統(tǒng)，并進(jìn)行了相應(yīng)的誤差分析；討論了常見數(shù)字濾波器的濾波原理及其基于現(xiàn)場可編程門陣列的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，提出了自適應(yīng)消除噪聲的設(shè)計(jì)原理。其結(jié)果是系統(tǒng)具有單獨(dú)運(yùn)行、易編程、數(shù)字濾波等優(yōu)點(diǎn)，在信號(hào)采集、控制中應(yīng)用前景廣泛。關(guān) 鍵 詞 高精度數(shù)據(jù)采集; 濾

2、波; 現(xiàn)場可編程門陣列; 獨(dú)立運(yùn)行中圖分類號(hào) TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 AA System Design in Collecting and Filtering High-Precision Data with FPGAGuo Zhiyong，Li Guangjun(School of Communication and Information Engineering, UEST of China Chengdu 610054)Abstract The paper mainly deals with following three aspects: offering a frame of fil

3、tering systemin collecting high-precision data of weak signals when strong electromagnetic interferes and analyzing the corresponding errors, discussing common digital filtering theory and its realization with field programmable gate array, applying self-adaptive theory to reducing noise. Since the

4、system has such advantages as running independently, writing program easily, and digital filtering, it is to be put into widespread use in collecting and controlling signals.Key words high-precision data collecting; filtering; field programmable gate array; runningindependently在帶有反饋的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，反饋信號(hào)數(shù)據(jù)

5、采集的精度直接影響控制系統(tǒng)的精度，特別是在高精度閉環(huán)控制中，對(duì)數(shù)據(jù)采集精度要求極為嚴(yán)格。在實(shí)際控制過程中，由于一些傳感器產(chǎn)生的信號(hào)比較弱，加上周圍電磁環(huán)境、傳輸線長度等干擾因素的影響，必然會(huì)降低采集到的數(shù)據(jù)精度1, 2。鑒于現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)具有設(shè)計(jì)靈活、高集成度、高速、高可靠性、硬件編程的特點(diǎn)3，本文提出了基于FPGA的具有高采集精度及濾波特性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖及原理采集系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，其基本工作原理為：傳感元件將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)作為輸入信號(hào)Vi，經(jīng)過系統(tǒng)硬件濾波放大后送入A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換

6、，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)放在FPGA中的FIFO(先進(jìn)先出存儲(chǔ)器)。FPGA根據(jù)用戶需要對(duì)FIFO區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)一步作軟件濾波及相關(guān)處理，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)傳送出去。其中A/D的參考電壓Vf由D/A模塊提供，D/A的數(shù)字量是根據(jù)用戶的需要可在FPGA中編程設(shè)置，由FPGA直收稿日期：2003 04 25作者簡介：郭志勇(1975 )，男，在職碩士生，助教，主要從事信號(hào)與信息處理方面的研究；李廣軍(1950 )，男，碩士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事ASIC設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通信和嵌入式系統(tǒng)方面的研究.第3期 郭志勇 等: 基于FPGA的高精度數(shù)據(jù)采集濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì) 251接送入，該數(shù)字量也可由外部用戶在數(shù)據(jù)總線設(shè)置，

7、通過FPGA送入D/A模塊。另外，AD轉(zhuǎn)換、軟件濾波及其他各模塊的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘全部由FPGA內(nèi)部時(shí)鐘模塊提供。FPGA圖1 數(shù)據(jù)采集濾波系統(tǒng)硬件框圖2 提高數(shù)據(jù)采集精度方法及誤差分析1) 本系統(tǒng)具有電路簡單、體積小、安裝方便的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘全部由FPGA內(nèi)部時(shí)鐘來完成，可單獨(dú)運(yùn)行，也可將系統(tǒng)安裝在距離傳感元件最近的地方，有效地避免由傳輸線長度帶來的干擾誤差。2) A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘由FPGA提供，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)直接送入FPGA中的FIFO區(qū)，由于FPGA具有運(yùn)行速度快、相對(duì)獨(dú)立的工作特點(diǎn)，可以保證采集到A/D在高頻工作時(shí)的數(shù)據(jù)。3) A/D、D/A的最大轉(zhuǎn)換誤差為量化誤差和線性誤差，可在允許范圍內(nèi)通過提高A

8、/D、D/A位數(shù)來減小量化誤差，增加分辨率。設(shè)放大器和減法器都是理想的，放大系數(shù)為K，A/D被轉(zhuǎn)換的模擬量為Vo，則有Vo=KViVf (1) Vi=(Vo+Vf)/K (2)設(shè)D/A轉(zhuǎn)換位數(shù)為N1，A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)為N2，且其滿度工作電壓相同，則相對(duì)誤差為111i=±(N+N (3)2K2K2對(duì)于D/A轉(zhuǎn)換器線性誤差(D/A轉(zhuǎn)換器的增益誤差、減法器的平衡誤差也可等效為D/A轉(zhuǎn)換器線性誤差)，表現(xiàn)為微分誤差大，傳遞函數(shù)出現(xiàn)漏碼和非單調(diào)區(qū)，實(shí)際分辨率下降。校正線性誤差的方法是選擇合適的A/D、D/A轉(zhuǎn)換位數(shù)，讓輸入信號(hào)從零點(diǎn)到額定電壓單調(diào)變化，啟動(dòng)A/D進(jìn)行連續(xù)采樣轉(zhuǎn)換得到一組數(shù)據(jù)，與改

9、變參考電壓后得到的另一組數(shù)據(jù)比較校正。在進(jìn)行濾波處理時(shí)需要考慮這一校正量，而對(duì)于零點(diǎn)誤差校正的方法是將輸入接地，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器得到校正量。4) 電路硬件濾波、VHDL語言軟件濾波對(duì)提高采集精度、減小誤差也有非常重要的作用。13 基于FPGA的數(shù)據(jù)濾波理論及其實(shí)現(xiàn)3.1 常見濾波器及算法實(shí)現(xiàn)由于控制系統(tǒng)干擾源較多，信號(hào)諧波成分較復(fù)雜，所以對(duì)于高精度控制系統(tǒng)，其軟件濾波尤為關(guān)鍵，下面為常見的FIR、IIR濾波器4。差分濾波方法簡單，只需進(jìn)行一次減法運(yùn)算。除k=m次諧波外，完全濾除直流、N/2次及其他各次諧波，其濾波器的傳遞函數(shù)為各零點(diǎn)傳遞函數(shù)之積，即H(z)=A(1z)12cos(k)z1+z2

10、 (4)k1km2(N/2)1式中 A為增益系數(shù)；為基波角頻率。全零點(diǎn)與濾波器在FPGA中的實(shí)現(xiàn)由乘加法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。252 電 子 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第33卷巴特沃斯濾波器性能之一是巴特沃斯逼近或最平幅度逼近，在通帶中有最大平坦的幅度特性。以二階巴特沃斯濾波器為例，假設(shè)其傳遞函數(shù)為1H(s)=2 (5)s+2s+1使用雙線形變換求Z域傳遞函數(shù)為H(z)=b1z1/(1a1z1a2z2) (6)則差分方程為y(n)=b1x(n1)+a1y(n1)+a2y(n2) (7)其FPGA實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行3次乘法和2次加法運(yùn)算，對(duì)于其他濾波器算法基本上都是乘加運(yùn)算，其區(qū)別是系數(shù)不同。3.2 濾波器的FPG

11、A實(shí)現(xiàn)FPGA作為可編程邏輯芯片，可通過VHDL硬件描述語言進(jìn)行編程，其功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)靈活、運(yùn)算速度快，且實(shí)時(shí)性強(qiáng)。FPGA中時(shí)鐘模塊提供其他模塊的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，其中濾波時(shí)鐘頻率最高，處理的數(shù)據(jù)根據(jù)需要包括前幾次A/D采樣結(jié)果、當(dāng)前采樣結(jié)果及前幾次輸出結(jié)果，由于FPGA為可編程器件，所以具備了高速處理數(shù)據(jù)的條件與優(yōu)勢(shì)。FIFO(先進(jìn)先出存儲(chǔ)器)是由FPGA中雙端口RAM實(shí)現(xiàn)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示，用來存儲(chǔ)A/D采樣結(jié)果，數(shù)據(jù)寬度與A/D位數(shù)一致，環(huán)狀結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)塊的及時(shí)更新。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊完成數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換、與外界通信及提供D/A轉(zhuǎn)換需要的數(shù)字量。這一數(shù)字量可以由外部提供，也可通過編程由FPGA自

12、適應(yīng)調(diào)整。圖2 環(huán)形FIFO結(jié)構(gòu) 圖3 噪聲消除器的一般形式3.3 基于FPGA的自適應(yīng)去噪功能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波器即濾波器系數(shù)可以根據(jù)自適應(yīng)算法不斷地調(diào)整，從而使系統(tǒng)的性能夠滿足用戶的要求。自適應(yīng)濾波器應(yīng)用廣泛，在高精度數(shù)據(jù)采集中，可用作噪聲消除器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。原始輸入信號(hào)d(n)包括信號(hào)和噪聲，x(n)為參考噪聲輸入。這種自適應(yīng)濾波器實(shí)質(zhì)上是完成d(n)中的噪聲估計(jì)，并把估計(jì)值與原始信號(hào)相減以達(dá)到噪聲消除的結(jié)果。可以通過增加一組信號(hào)通道專門用于噪聲檢測(cè)，將結(jié)果送入FPGA進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，從而消除環(huán)境噪聲。4 結(jié) 論本文利用MATLAB信號(hào)處理工具箱中濾波器設(shè)計(jì)和分析工具中的butter(

13、)函數(shù)，方便地設(shè)計(jì)出符合要求的未經(jīng)量化的巴特沃斯濾波器系數(shù)，然后對(duì)系數(shù)進(jìn)行分解、量化，得到基于FPGA的濾波器系數(shù)。由于存在量化誤差及有限字長效應(yīng)，用MATLAB對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行了最后調(diào)整，對(duì)FPGA中的加法器、乘法器位數(shù)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)、仿真，避免產(chǎn)生極限環(huán)現(xiàn)象和溢出震蕩。經(jīng)試用表明，該系統(tǒng)具有單獨(dú)運(yùn)行、易編程、采集精度高的特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。參 考 文 獻(xiàn)第3期 郭志勇 等: 基于FPGA的高精度數(shù)據(jù)采集濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)3 李廣軍, 孟憲元. 可編程ASIC設(shè)計(jì)及應(yīng)用M. 成都: 電子科技大學(xué)出版社, 2000 1 陳光礻禹. 現(xiàn)代電子測(cè)量測(cè)試技術(shù)M. 北京: 國防工業(yè)出版社, 200

14、1 2 沈蘭蓀. 數(shù)據(jù)采集技術(shù)M. 合肥: 中國科技大學(xué)出版社, 1993 4 Ssnjit K M. Digital signal processingM. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2002253編 輯 徐培紅- (上接第圖5 21=22=17 ps2/km下的仿真結(jié)果 圖6 普通孤子在TOD影響下的傳輸結(jié)果3 結(jié) 論綜上所述，TOD對(duì)DMS傳輸?shù)挠绊懟旧项愃朴谄胀ü伦?，主要表現(xiàn)在脈沖傳輸過程中出現(xiàn)振蕩形的“色散拖尾”和能量耗散，不但會(huì)引起脈沖寬度展寬，產(chǎn)生色散波，同時(shí)會(huì)引起脈沖傳輸?shù)牟粚?duì)稱性，脈沖寬度越窄或系統(tǒng)速率越高，TOD影響越嚴(yán)重，從而對(duì)系統(tǒng)性能的影響也越大。同時(shí)，TOD對(duì)DMS

15、傳輸?shù)挠绊懶Ч€和路徑平均群速色散、脈沖寬度有關(guān)，與色散補(bǔ)償差2關(guān)系很小，不同的色散補(bǔ)償差2對(duì)色散波的抑制幾乎不起作用，和普通孤子系統(tǒng)相比，DMS對(duì)TOD產(chǎn)生的色散波有明顯的抑制作用。參 考 文 獻(xiàn)1 Agrawal G P. Nonlinear fiber optics(2nd Edition)M. USA San Diego: Academic Press, 19952 Hasegawa A. Soliton-based optical communications: an overviewJ. J Selected Topics in Quantum Electron, 2000, 6(

16、6): 1 161-1 1713 Nijhof J H B, Doran N J, Forysiak W, et al. Stable soliton like propagation in dispersion managed system with net anomalous, zero and normal dispersionJ. Electron.Lett., 1997, 33(24): 1 726-1 7274 Hizanidis K, Malomed B A, Nistazakis H E, et al. Stabilizing soliton transmission by third order dispersion in dispersion com