基于AD7705及FPGA的光信號采集系統(tǒng)設計

賴義漢,傅智河

（龍巖學院物理與機電工程學院,福建龍巖364012）

基于AD7705及FPGA的光信號采集系統(tǒng)設計

賴義漢,傅智河

（龍巖學院物理與機電工程學院,福建龍巖364012）

光電檢測與數據轉換是光纖光柵測溫系統(tǒng)中的重要組成部分,為提高測量精度和穩(wěn)定性,提出了以16位模數轉換器AD7705為核心的光信號采集系統(tǒng).闡述了FPGA控制模塊的設計思路及VHDL實現方法,并以FPGA作為控制器實現AD7705邏輯控制.通過QuartusII軟件進行仿真測試,結果顯示：設計符合要求,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠.

光電檢測；AD7705；FPGA；信號采集

光纖光柵傳感器是利用光纖光柵受外界物理作用時其反射中心波長會發(fā)生偏移的機理制成的,光纖光柵傳感器具有體積小、重量輕和抗電磁干擾等特點,被廣泛應用于變壓器、水泵等特殊環(huán)境下的溫度監(jiān)測[1].在光纖光柵測溫系統(tǒng)中,光纖光柵傳感器采集的反射光通過光電檢測與轉換電路把光信號轉換成電信號,經高精度的AD轉換器得到數字信號,再經過一系列的數據處理后得到溫度值.本文著重對光電檢測及AD數據轉換部分進行分析和設計,提出了以FPGA與高性能的AD7705組合實現高精度光信號數據采集系統(tǒng),并利用QuartusII對系統(tǒng)進行仿真驗證[2].

1 系統(tǒng)總體結構

光信號采集系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示,主要由光電檢測與轉換電路、AD7705接口電路、FPGA控制模塊等部分組成,光電檢測與轉換電路把光信號變成電信號放大后再送入AD7705電路,AD7705在FPGA的控制下完成AD轉換,并把數據送入后續(xù)信號處理模塊處理,計算出具體的溫度值.

圖1 系統(tǒng)總體結構Fig.1 System structure diagram

2 光電檢測與轉換電路及AD7705硬件電路

2.1 光電檢測與轉換電路

光纖光柵傳感器反射回來的光信號功率一般較低,經過長距離傳輸后到達光電檢測器的信號也就非常微弱,而且在放大電路中還存在器件的固有噪聲以及供電電源引起的噪聲[3],因此,在微弱信號電路設計中必須采取多項措施抑制噪聲[4],以滿足后續(xù)數字信號處理電路的需要.電路采用高精度、低溫漂、低損耗的OP07作為運算放大器,該放大器偏置電流非常小,適合用作小信號放大.光電檢測與轉換電路如圖2所示,光電探測器采用PIN管,其相當于電流源,完成光功率到電流的轉化,由于信號較小,電路采用三級放大,其中一、二級主要完成光信號到電流再到電壓的放大與轉換,第三級主要對電壓進行放大,放大后的電壓信號送入AD7705進行AD轉換.為減小電源噪聲干擾,每個電源端需加上耦電容.

圖2 光電檢測與轉換電路Fig.2 Circuit of photoelectric detection and conversion

2.2 AD7705硬件電路

AD7705是AD公司生產的適合測量低頻信號的16位AD轉換器,片內帶有數字濾波和增益可編程的∑－△轉換技術,能夠直接將傳感器測量到的微小信號進行AD轉換,具有寬動態(tài)范圍、高分辯率等特點,在儀器儀表測量、工業(yè)控制等領域有廣泛的應用.AD7705配有串行通信接口,可配置成三線或四線接口模式其增益值、信號的極性以及更新速率可由軟件靈活配置[5].AD7705外圍接口電路如圖3所示.

圖3 AD7705硬件接口電路Fig.3 Circuit of AD7705 hardware interface

AD7705主要引腳及功能：兩組模擬信號輸入端AIN1（+）、AIN1（-）和AIN2（+）、AIN2（-）,分別可配置成單極性輸入和差分輸入.通信接口為片選端,低電平有效.DIN為串行數據輸入端,DOUT為轉換結果的串行數據輸出端,SCLK為串行移位脈沖,一般由控制芯片提供,為邏輯輸出,高電平表示數據正在更新中,低電平表示AD轉換結束可以讀取數據.REF（+）、REF（-）為基準輸入端,由于基準電壓對轉換結果影響較大,本設計采用低動態(tài)阻抗、低噪音的LM285D作為基準電源,為AD提供2.5 V基準電壓.

3 FPGA控制器設計

用戶對AD7705的功能設置以及AD轉換結果輸出都是采用串行接口方式訪問片內寄存器,本設計采用VHDL語言把通信接口配置成四線工作方式[6],即與AD7705的、SCLK、DIN、DOUT端口進行通信,完成串行數據的發(fā)送和接收.

3.1 數據發(fā)送模塊

數據發(fā)送模塊SPI_WRITE就是把各種控制字以串行方式寫入AD7705內部相應的寄存器,實現各種功能.在寫入過程中必須按AD7705的工作時序要求傳送數據,才能保證數據準確性和有效性,該模塊采用VHDL進行設計,其端口設置如下：

由于與寫入有關的寄存器均為8位寄存器,因此,把SPI_WRITE模塊設計成一個8位并入串出移位寄存器,當WR_FLAG控制信號為高電平時,讀入WR_CODE[7..0]中控制字的值,同時在SCLK上產生8個移位脈沖,并在移位脈沖的作用下把8位輸入數據轉換為串行數據從TX端輸出,在這移位期間uCS輸出保持低電平,數據移位完后重新回到高電平,并等待下一個寫入控制脈沖.其仿真結果如圖4所示.

圖4 數據發(fā)送模塊仿真Fig.4 Data transmission module simulation waveforms

3.2 數據接收模塊

數據接收模塊SPI_READ主要是讀取AD7705內部數據寄存器中已轉換好的AD值,其設計原理與數據發(fā)送模塊類似,該模塊端口設置如下：

由于AD7705內部數據寄存器是一個16位寄存器,因此,SPI_READ模塊是一個串入并出的16位移位寄存器,當為低電平,且RD_FLAG為高電平時,系統(tǒng)開始讀取AD7705的16位串行數據,經過16個脈沖后,完成串并轉換,RECE_OK結束標志位置高電平,同時輸出并行數據RECE_DATA[15..0],仿真結果如圖5所示.

圖5 數據接收模塊仿真Fig.5 Data receiving module simulation waveforms

3.3 AD7705工作狀態(tài)控制模塊

AD7705工作狀態(tài)控制模塊STATE_CTR是根據AD7705工作流程,完成各種設置并讀取AD轉換值.AD7705內部主要有通信寄存器、設置寄存器、時鐘寄存器、數據寄存器等,其中通信寄存器主要管理通道選擇,并決定下一個操作是讀操作還是寫操作,以及下一次讀或寫哪一個寄存器,所有與器件的通信必須從寫入通信寄存器開始.該模塊采用VHDL有限狀態(tài)機實現,該控制器由7個工作狀態(tài)組成.其狀態(tài)轉換圖如圖6所示.

S0狀態(tài)：初始化,寫通信寄存器20H,將下一個操作設為對時鐘寄存器進行寫操作；

S1狀態(tài)：寫時鐘寄存器04H,外部時鐘頻率設為4.915 2 MHz,更新頻率為50 Hz；

S2狀態(tài)：寫通信寄存器10H,選擇通道1為輸入端口,將下一個操作設為設置寄存器寫操作；

S3狀態(tài)：寫設置寄存器40H,增益設為1,差分輸入,自校準模式；

S5狀態(tài)：寫通信寄存器38H,將下一個操作設為對數據寄存器進行讀操作；

S6狀態(tài)：從數據寄存器中讀取AD值,重新返回S4狀態(tài),重復上面的步驟,并可連續(xù)讀出AD的值.

圖6 AD7705工作狀態(tài)轉換Fig.6 AD7705 state flow

3.4 FPGA控制器結構

FPGA控制器結構圖如圖7所示,由FENPING分頻模塊、SPI_WRITE數據發(fā)送模塊、SPI_READ數據接收模塊及STATE_CTR工作狀態(tài)控制模塊組成.AD7705外接時鐘為4.915 2 MHz,設計選用更新速率為50 Hz,同時從AD手冊可知串行時鐘脈沖寬度不得小于100 ns,即時鐘不得大于5 MHz,FPGA開發(fā)板上配有50 MHz時鐘源,通過分頻模塊FENPING得到3 MHz輸出頻率,再經過SPI_READ和SPI_WRITE模塊后產生500 kHz的移位脈沖頻率,即每寫入一個字節(jié)需要16 ms,因此,在STATE_CTR模塊中,每寫入一個控制字需要等待16 ms以上才能進入下一個狀態(tài),而數據寄存器是16位的,因此,在讀出AD轉換數據時需要等待32 ms以上,才能進入下一個狀態(tài),讀取下一個數據.

圖7 FPGA控制器結構Fig.7 FPGA structure controller diagram

4 系統(tǒng)測試與仿真

在QuartusII平臺上對FPGA控制模塊進行了仿真測試,其仿真結果如圖8所示.

圖8 FPGA控制器仿真波形Fig.8 FPGA controller simulation waveforms

從圖8中可以看出,前面4組寫入脈沖分別寫入20H、04H、10H、40H,當DRDY端信號為低電平時,表示AD數據已轉換結束,再寫入38H,再經過16個脈沖讀出轉換數據,然后又繼續(xù)等待DRDY變?yōu)榈碗娖?周而復始,并可連續(xù)讀取AD轉換值.根據測試數據進行分析,符合AD7705工作時序要求,最后把設計文件下載至CycloneII的EP2C8Q208C7芯片進行驗證測試,實現相關功能.

5 小結

本系統(tǒng)采用高精度的AD轉換器,采用FPGA及VHDL有限狀態(tài)機完成對AD7705的時序邏輯控制,完成光信號的檢測與放大及數據轉換,以軟件方式實現硬件電路,控制靈活、轉換精度高、穩(wěn)定性好,在水泵的溫度檢測應用系統(tǒng)中有良好應用,同時對于一些精度要求高,而輸入信號較小的其他模擬量檢測也有較好的應用參考價值.

[1]張燕君,李進,陳凌軍,等.一種雙通道光纖光柵溫度檢測系統(tǒng)的研究[J].光纖通信技術,2009,10：43-45.

[2]褚振勇,齊亮,田紅心,等.FPGA設計及應用[M].2版.西安：西安電子科技大學出版社,2006.

[3]宋濤,張斌,羅倩倩.光電轉換電路的設計與優(yōu)化[J].光電技術應用,2010,12（6）：46-48.

[4]管敏杰,趙東娥.基于PIN型光電轉換電路的噪聲研究[J].電子測試.2012（2）：35-37.

[5]郝富春,王有權,郭志忠.基于AD7705的萬能信號輸入設計[J].吉林化工學院學報,2011,28（9）：76-79.

[6]華卓立,姚若河.一種通用SPI總線接口的FPGA設計與實現[J].微計算機信息,2008,24（6）：212-213.

（責任編輯：盧奇）

Design of optical signal acquisition system based on AD7705 and FPGA

Lai Yihan,Fu Zhihe
（Physics and Mechanics College,Longyan University,Longyan 364012,China）

Photoelectric detection and data conversion is an important part of the optical fiber grating temperature measurement system.In order to improve the system measurement precision and stability,the optical signal acquisition system based on the core of analog to digital converter AD7705 was proposed,the design ideas of VHDL and the implementation of the control module FPGA were described,and uses FPGA as the controller to realize the AD7705 logic control.The system is stable,and met design requirements,through the simulate on test by QuartusII software.

photoelectric detection；AD7705；FPGA；signal acquisition

TN911.72

A

：1008-7516（2015）01-0055-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.01.013

2014-09-29

龍巖學院產學研合作項目（LC2013001）

賴義漢（1968—）,男,福建龍巖人,碩士,副教授.主要從事嵌入式系統(tǒng)研究與應用.