基于FPGA的多路數(shù)字位移傳感器的分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈瑞

（西南交通大學(xué) 電磁所，四川 成都 610031）

位移傳感器是新技術(shù)革命和信息社會的重要技術(shù)基礎(chǔ)，傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的傳感器研究當(dāng)中，以各種以模擬信號輸出的位移傳感器為主，對這類傳感器的工作原理以及特性進(jìn)行了分析說明。然而，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，要求各種傳感器具有智能——自診斷，自識別以及自決策功能，要實(shí)現(xiàn)這些功能，則必須要配合一些控制器核，比如專用集成電路（ASIC），或者專用指令處理器（ASIP）等。由于模擬信號相對于數(shù)字信號而言，處理起來更加的復(fù)雜，而且抗干擾能力相對于數(shù)字信號而言，也比較弱，因此，數(shù)字位移傳感器在未來的應(yīng)用性上，具有更好的適應(yīng)能力。

對于一個系統(tǒng)而言，為了更加準(zhǔn)確利用數(shù)字位移傳感器測試位移量，往往需要在一個系統(tǒng)中加入多個數(shù)字位移傳感器，這樣通過數(shù)據(jù)對比，得到更加準(zhǔn)確的位移。同時，需要考慮到溫度對傳感器的影響，還需要在系統(tǒng)中加入溫度傳感器，從而使得位移傳感器能夠隨著溫度的變化而做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保證輸出數(shù)據(jù)的精確與正確性?；谏鲜龅囊螅笙到y(tǒng)內(nèi)部含有多個傳感器，并且傳感器的測試量是不同的。

當(dāng)前傳感器的數(shù)據(jù)采集方式主要以微控制器或者微處理器進(jìn)行采集；由于控制器的接口限制，無法在同一時刻對多個傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；如果同時使用多個微處理器對多個傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一方面使系統(tǒng)成本增加，另一方面對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合的時候，需要采取相應(yīng)的比較繁瑣的整合方案，這樣不利于對于數(shù)據(jù)的分析，特別是在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的地方，無法保證采集數(shù)據(jù)具有同一個時間坐標(biāo)。

傳感器的數(shù)據(jù)形式多種多樣，對傳感器的控制信號也是形式多樣的，這就要求傳感器的控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性。在對不同的傳感器進(jìn)行控制時，要求不同的操作步驟。如果采用傳統(tǒng)的以微控制器或者微處理器為主的系統(tǒng)，由于針對不同的操作步驟具有先后次序，導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)具有先后次序，從而無法保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性，同時，操作起來也相當(dāng)復(fù)雜[1]。

FPGA具有豐富的I/O資源，一般可用的I/O資源至少上百個，這就意味了FPGA可以與相當(dāng)可觀的傳感器進(jìn)行連接，加上FPGA內(nèi)部的豐富資源以及靈活的數(shù)字信號處理方式，能夠在同一時間控制多個傳感器，從而可以實(shí)時性的采集不同傳感器的數(shù)據(jù)。如果資源足夠多，完全可以在FPGA內(nèi)部對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些數(shù)字信號處理的算法。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由4部分組成：1）數(shù)字位移傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊；2）溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊；3）UART控制模塊；4）數(shù)據(jù)輸出控制模塊。

1.1 設(shè)計(jì)的整體構(gòu)架

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體構(gòu)架如圖1所示。

數(shù)字位移傳感器模塊用于采集數(shù)字位移傳感器的數(shù)據(jù)。由于數(shù)字位移傳感器傳輸?shù)紽PGA的位移數(shù)據(jù)是頻率格式的數(shù)據(jù)，所以需要進(jìn)行一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即把頻率格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成精度足夠高的16位的數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體構(gòu)架Fig.1 Architecture of data acquisition

溫度傳感器采集模塊用于采集溫度傳感器的數(shù)據(jù)。這里所使用的溫度傳感器是DS18B20，要采集該傳感器的數(shù)據(jù)，要經(jīng)過初始化，寫入命令字等步驟，這通過FPGA可以十分方便的進(jìn)行控制，它的輸出是16位的溫度數(shù)據(jù)[2]。

數(shù)據(jù)輸出控制模塊的作用就是把采集的位移數(shù)據(jù)以及溫度數(shù)據(jù)以一定的格式，通過UART口發(fā)送出去，發(fā)送的格式可以按照如下描述：

首先發(fā)送采集數(shù)據(jù)的序號，接著分別發(fā)送10路位移傳感器數(shù)據(jù)的高八位以及第八位，然后發(fā)送溫度傳感器的高八位以及第八位，最后發(fā)送采集數(shù)據(jù)的序號。

之所以采用這種格式，一方面是傳感器數(shù)目的要求，另一方面是由于采用了UART口進(jìn)行傳輸?shù)脑?。由于UART最大支持8位的數(shù)據(jù)傳輸，所以在傳輸?shù)倪^程中，需要把16位的數(shù)據(jù)分為高8位和低8位進(jìn)行傳輸。

UART控制模塊在數(shù)據(jù)輸出控制模塊的控制下，向通過電腦的串口向電腦發(fā)送數(shù)據(jù)，從而用電腦將接收到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.2 數(shù)字位移傳感器模塊的構(gòu)架

數(shù)字位移傳感器的工作原理可以簡單的描述為：隨著位移的改變，它的輸出頻率相應(yīng)的會加以改變。對于這種頻率信號的處理，有兩種簡化的處理方式：1）直接法。就是設(shè)定一個時間窗口（時間段），在這個時間窗口內(nèi)計(jì)算采集到的周期數(shù)，然后以該周期數(shù)作為位移數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出；2）間接法。該方法的原理是應(yīng)用一個比傳感器輸出頻率高的參考頻率，利用該參考頻率計(jì)算一個傳感器頻率中有多少個參考頻率，從而得到傳感器的16位精度的輸出數(shù)據(jù)[3]。

兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。直接法使用起來相對比較簡單，但是為了保證精度足夠，需要設(shè)置較長的時間窗口，這就要求更長的采集時間，比如傳感器的輸出頻率在2 MHz左右，如果設(shè)置的時間窗口是300，也就意味著每采集一次數(shù)據(jù)，需要使用150 μs；間接法需要額外產(chǎn)生一個較高頻率的參考頻率，但是能夠?qū)崟r的獲得位移數(shù)據(jù)，比如傳感器的輸出頻率是2 MHz，那么采集一次數(shù)據(jù)只需要500 ns，然而，它的缺點(diǎn)就是只有頻率足夠高的時候，才能滿足所需的精度。這里所使用的FPGA是Xilinx的Spartan DSP 3A，該FPGA支持的最大頻率是300 MHz。綜合考慮兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中選用間接法進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用的參考頻率是200 MHz。

數(shù)字位移傳感器的頻率輸出由于受到外界因素的干擾，其頻率會在一定的范圍內(nèi)改變，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)值出現(xiàn)參差不齊的變化，為了減小這種變化帶來的分析麻煩，對于采集到的數(shù)據(jù)還要經(jīng)過一個求平均值的濾波處理。

傳感器的均值濾波模塊的原理是：對最新采集到的16個數(shù)據(jù)求平均值，然后作為16位數(shù)據(jù)輸出。為了加快系統(tǒng)整體的頻率，采用流水線的處理方式求平均值[4]。其過程可以描述如下：

第1個周期：緩存最新的數(shù)據(jù)；

第2個周期：同時進(jìn)行8個加法運(yùn)算，b1=a1+a2，b2=a3+a4， b3=a5+a6， b4=a7+a8，……，b8=a15+a16；

第3個周期：同時進(jìn)行4個加法運(yùn)算，c1=b1+b2，c2=b3+b4， c3=b5+b6， c4=b7+b8；

第4個周期：同時進(jìn)行2個加法運(yùn)算，d1=c1+c2，b2=c3+c4；

第5個周期：進(jìn)行1個加法運(yùn)算，s=d1+c2；

第6個周期：對第5個周期的結(jié)果向右移動4位，相當(dāng)于除16運(yùn)算；

第7個周期：輸出均值數(shù)據(jù)；

1.3 溫度傳感器數(shù)據(jù)采集的架構(gòu)

溫度傳感器采用的是DS18B20，該傳感器的溫度測量范圍是－55～+125℃，在－10～+85℃的精度是±0.5℃。 由于該傳感器是一款“一線總線”傳感器，對于它的操作有些復(fù)雜，但是由于FPGA具有很大的靈活性，在一定程度上降低了它的復(fù)雜性。

要獲取該傳感器的溫度數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過以下幾個步驟：

1）初始化 DS18B20；

2）寫入“跳過序列號命令字 skip rom”（0xCC）；

3）寫入“溫度轉(zhuǎn)換命令字 convenrt”（0x44）；

4）初始化 DS18B20；

5）寫入“跳過序列號命令字 skip rom”（0xCC）；

6）寫入“讀取數(shù)據(jù)字 read”（0xBE）；

針對該傳感器的控制特性，可以設(shè)計(jì)分成3個子模塊，它們分別是：狀態(tài)控制模塊，字節(jié)控制模塊及比特位控制模塊。

狀態(tài)控制模塊的作用是控制整個溫度傳感器的初始化以及命令字的產(chǎn)生，它是一個狀態(tài)機(jī)。 它的狀態(tài)對應(yīng)于上述的每個步驟，每當(dāng)一個步驟完成之后，該模塊就會收到一個指示信號，然后跳轉(zhuǎn)到下一個狀態(tài)，直到每個步驟完成。

字節(jié)控制模塊接收來自狀態(tài)控制模塊的各種命令字，然后將這些命令字轉(zhuǎn)換成一個一個的比特位發(fā)送出去，同時控制傳感器溫度轉(zhuǎn)換過程當(dāng)中所需要的延時。

比特位控制模塊的作用是控制各種操作，對數(shù)據(jù)總線進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳎热缡裁磿r候釋放總線，什么時候拉高總線，同時，讀取總線的串行數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成16位的數(shù)據(jù)。

由于溫度數(shù)據(jù)不是一個直觀的溫度數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行一定的計(jì)算得到，所以在分析數(shù)據(jù)的時候，還要使用一些計(jì)算工具，比如matlab對其進(jìn)行計(jì)算，從而得到準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)輸出控制模塊

數(shù)據(jù)輸出控制模塊的作用是緩存來自數(shù)字位移傳感器以及溫度傳感器的16位數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)分別分為高8位和低8位的形式，控制UART發(fā)送出去。

如果需要增加傳感器的個數(shù)，只需要增大內(nèi)部常量thick_no的值，以及增加內(nèi)部常量thick_ram的個數(shù)便可以方便地將各個傳感器的值有次序的進(jìn)行輸出。

1.5 UART控制模塊

UART控制模塊根據(jù)串口協(xié)議，把8位的并行數(shù)據(jù)按照規(guī)定格式的比特位發(fā)送出去。除了串口數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收功能外，它還擁有一個控制功能：定時發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，即在規(guī)定的時間內(nèi)只發(fā)送規(guī)定的數(shù)據(jù)個數(shù)。之所以需要這樣一個功能，是因?yàn)樵诜治鰝鞲衅鲾?shù)據(jù)的時候，不僅僅需要分析某個時刻的數(shù)據(jù)，而且需要分析某個時間段的數(shù)據(jù)，這就需要長時間的發(fā)送傳感器的數(shù)據(jù)。對于PC機(jī)而言，PC機(jī)能夠緩存串口的數(shù)據(jù)個數(shù)是有限的，一旦緩存的個數(shù)達(dá)到上限，則不再存儲從串口發(fā)送的數(shù)據(jù)。為了能讓PC機(jī)內(nèi)緩存的數(shù)據(jù)是一個較長時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，需要控制FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù)個數(shù)。

傳感器的數(shù)據(jù)是來自數(shù)據(jù)輸出控制模塊輸出的8位數(shù)據(jù)；連接控制模塊與發(fā)送模塊的控制信號就是控制某個時間段內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)個數(shù)[5]。在測試傳感器的一些特性，比如精度，線性度的時候，可以把時間間隔設(shè)置為0或者其它合適的短時間段；然而，在測試其他一些特性，比如數(shù)字位移傳感器與溫度的特性的時候，需要把時間間隔設(shè)置長一些，這是由于試驗(yàn)中沒有專門改變溫度的設(shè)備，只能通過環(huán)境溫度的自然變化來觀測與分析數(shù)字位移傳感器與溫度的關(guān)系。

2 數(shù)據(jù)分析

通過基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以得到多個傳感器的數(shù)據(jù)，同時，可以根據(jù)需要，改變數(shù)據(jù)的采集方式。對于數(shù)據(jù)的分析也可以靈活把握，如果只是針對數(shù)字位移傳感器的線性度以及精度進(jìn)行測試，可以不用分析溫度數(shù)據(jù)；如果是針對數(shù)字位移傳感器與溫度之間的關(guān)系，則需要將兩者的數(shù)據(jù)相結(jié)合起來分析。

采集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)Fig.2 Part of data acquired

其格式正如前面所述的，第1列與最后1列是數(shù)據(jù)；第2列到倒數(shù)第4列是數(shù)字位移傳感器的數(shù)據(jù)，倒數(shù)第2列到倒數(shù)第3列是溫度傳感器的數(shù)據(jù)。

對于所采集的數(shù)據(jù)，需要分析3個特性：1）線性度。即數(shù)字位移傳感器的輸出數(shù)據(jù)隨著位移變化的特性；2）精度。即相鄰位移之間的數(shù)據(jù)之差，用于表現(xiàn)位移每變化單位距離，數(shù)據(jù)將改變多少，該特性用于評定該位移傳感器是否靈敏；3）溫度漂移。對于任何傳感器的分析都少不了溫度的影響，因?yàn)閭鞲衅鞯妮敵鰯?shù)據(jù)會受到溫度的影響，只有考慮到溫度的因素，才可以讓傳感器在不同的溫度環(huán)境下，根據(jù)具體的溫度進(jìn)行特性調(diào)整，從而讓輸出數(shù)據(jù)正確。

把采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到matlab中，然后根據(jù)不同的分析方式編寫不同的分析代碼，可以繪制如圖3所示的曲線。

圖3 各種特性曲線Fig.3 Variety of characteristic

圖3（a）是線性度的特性曲線，圖 3（b）是精度的特性曲線，圖3（c）是溫度漂移的特性曲線，下面分別對各個曲線進(jìn)行分析。

圖3（a）中，橫坐標(biāo)是數(shù)字位移傳感器的輸出數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)是對應(yīng)的位移量。通過曲線，可以直觀的看到數(shù)字位移傳感器的輸出數(shù)據(jù)隨著位移的增大而不斷變大，但是隨著位移的不斷增大，變化的幅度逐漸變小。

圖3（b）中，橫坐標(biāo)是數(shù)字位移傳感器的輸出數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)是對應(yīng)的位移量。通過曲線可以直觀的看到隨著位移的不斷增大，精度（需要對橫坐標(biāo)取絕對值）不斷的變小，也就意味著當(dāng)位移相對于傳感器不是很大的時候，該傳感器是靈敏的，隨著位移的不斷增大，靈敏度變小[6]。

圖3（c）中，黑色的曲線是位移傳感器的輸出數(shù)據(jù)，藍(lán)色的曲線是溫度傳感器的輸出數(shù)據(jù)。通過兩種傳感器的數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)：位移傳感器的輸出數(shù)據(jù)隨著溫度的增大而減小，兩者變化的趨勢是相反的。

通過上述3種特性的分析，基本上可以了解數(shù)字位移傳感器的特性。

3 結(jié)束語

文中介紹了如何通過FPGA，對多路且不同類型的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析，顯示了FPGA在處理復(fù)雜傳感器系統(tǒng)方面的優(yōu)勢。如今數(shù)字位移傳感器受到了越來越廣泛的應(yīng)用，并且隨著智能儀器的發(fā)展，要求傳感器系統(tǒng)能夠智能的對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將不同類型的傳感器結(jié)合在一個系統(tǒng)中是很好的解決方式，而FPGA豐富的資源以及強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，為復(fù)雜傳感器系統(tǒng)的發(fā)展提供了很好的平臺。

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