基于SOPC的便攜式高精度頻率儀設(shè)計(jì)

張?zhí)旌?，葉 偉，王陽陽，張興紅，陳鴻雁

(重慶理工大學(xué)，機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，時柵傳感及先進(jìn)檢測技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

0 引言

1 頻率儀的設(shè)計(jì)

1.1 頻率儀的設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的便攜式頻率計(jì)如圖1所示，主要包括3個部分:SOPC控制與處理模塊、振動傳感器模塊、人機(jī)交互模塊。SOPC控制與處理模塊對信號進(jìn)行采集與放大;振動傳感器由壓電式傳感器與由納米材料制作的薄膜構(gòu)成。其核心部分是片上系統(tǒng)SOPC控制與處理模塊，控制信號處理，人機(jī)交互界面與通道的選擇。

1.2 SOPC 的設(shè)計(jì)

頻率儀核心部分是SOPC的設(shè)計(jì)，它主要包括了振動信號的產(chǎn)生控制、數(shù)據(jù)的高速采集以及信號的分析與處理3部分。其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 頻率儀的SOPC結(jié)構(gòu)圖

其中，數(shù)據(jù)采集控制部分包含有信號調(diào)理電路、計(jì)數(shù)計(jì)時器和通道控制等，用來控制頻率儀的工作與停止，控制采樣通道的選擇與數(shù)據(jù)信號的實(shí)時采集。如圖2虛線所示，SOPC(片上系統(tǒng))處理部分采用了嵌入式的軟核處理器(NiosⅡ核)來實(shí)現(xiàn)，主要構(gòu)成包括軟核處理器(NiosⅡ)、通道控制、DDS、計(jì)數(shù)時鐘、PIO控制器的接口、外部存儲器 SDRAM、LCD［6］。用SOPC實(shí)現(xiàn)了實(shí)時高速的數(shù)據(jù)分析與處理，并且可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，操作人機(jī)交互界面可將采集數(shù)據(jù)在LCD上顯示出來。

1.3 頻率儀測頻原理

壓電式傳感器能夠把機(jī)械振動的振幅放大，并把這些振幅的變化轉(zhuǎn)化為與振動成正比的電壓量，放大電路把該電壓信號進(jìn)行放大，濾波電路濾除該電壓信號中的雜質(zhì)信號，得到的模擬信號如圖3所示。根據(jù)比較法確定過零點(diǎn)的次數(shù)N，2個過零點(diǎn)確定1個周期，其中中間過零點(diǎn)(P1、P2…PN－1)不需要精確計(jì)算它們對應(yīng)的時間，起始過零點(diǎn)P0和終點(diǎn)PN所對應(yīng)的時間需用下文所述的軟件插補(bǔ)細(xì)分算法精確計(jì)算，起始過零點(diǎn)和終點(diǎn)的時間差為N個過零點(diǎn)之間的時間差，記為TN，則有信號頻率fx為

式中N是一個無誤差的整數(shù)。

如圖3所示，以8個過零點(diǎn)(4個信號周期)來計(jì)算頻率值，圖中的中間過零點(diǎn)(P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7)只需根據(jù)它們前后采樣點(diǎn)的正負(fù)判斷它們是過零點(diǎn)即可，不需要精確計(jì)算它們對應(yīng)的時間，利用特殊的軟件插補(bǔ)細(xì)分算法對起點(diǎn)(P0)和終點(diǎn)(P8)所對應(yīng)的時間t0和t8分別進(jìn)行精確計(jì)算，則信號的頻率fx為:

該研究實(shí)驗(yàn)組45例患者的治療依從性為95.56%，而參照組的治療依從性為82.22%，兩組治療依從性差異明顯（P＜0.05）。 見表 3。

下文敘述的軟件插補(bǔ)細(xì)分算法可對起點(diǎn)(P0)和終點(diǎn)(P8)之間的時間差進(jìn)行納秒級精度的計(jì)算，從而可以實(shí)現(xiàn)高精度的頻率測量。

圖3 濾波放大后的模擬信號

2 設(shè)計(jì)方法

SOPC的設(shè)計(jì)是頻率儀的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，SOPC的設(shè)計(jì)主要包括硬件邏輯的設(shè)計(jì)、NiosⅡ軟處理器與軟件處理設(shè)計(jì)。用Verilog硬件描述語言在QuatusⅡ6.0軟件平臺上完成硬件邏輯設(shè)計(jì)。

2.1 NiosⅡ軟核處理器的構(gòu)建

NiosⅡ微處理器軟核是SOPC技術(shù)的核心，生產(chǎn)廠商推出的軟核CPU，是一種面向用戶的、可以靈活定制的通用RISC(精簡指令集架構(gòu))嵌入式CPU。NiosⅡ以軟件方式提供給用戶，專為SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，是面向用戶、可以靈活定制［7］。NiosⅡ系統(tǒng)構(gòu)建如圖4所示。

2.2 SOPC系統(tǒng)組建

NiosⅡ系統(tǒng)構(gòu)建后，生成NiosⅡ系統(tǒng)，便可使創(chuàng)建的NiosⅡ系統(tǒng)成為頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分，與此同時可將之前的數(shù)字邏輯打包為單個的控制系統(tǒng)模塊CTRL，將其在原理圖中與構(gòu)建的NiosⅡ處理器完成邏輯連接，NiosⅡ模塊為在SOPC Builder系統(tǒng)中定制系統(tǒng)SOPC系統(tǒng)。

SOPC系統(tǒng)采用可配置的Avalon總線模塊，帶有增強(qiáng)的內(nèi)存、調(diào)試和軟件功能［8］。SOPC Builder主要任務(wù)就是生成Avalon交換式架構(gòu)的總線，定制了合適的NiosⅡ處理器、定時器、UART和GPIO［9］。SOPC系統(tǒng)組建如圖5所示。

3 NiosⅡ數(shù)據(jù)分析與處理

頻率計(jì)的硬件部分構(gòu)建好，進(jìn)行NiosⅡ處理器的軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)將針對該NiosⅡ系統(tǒng)，進(jìn)行編程完成對采集數(shù)據(jù)的分析與處理［9］。時間的精確測量算法是其核心部分。

3.1 振動次數(shù)確定

數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換和通道選擇的控制，在SOPC控制下按采樣的時序把采集的數(shù)據(jù)存入SDRAM，把一個模擬通道序列表鎖存在一個存儲器中，按照地址增量讀出序列表中的通道編碼選擇相應(yīng)的通道，這樣做就可以實(shí)現(xiàn)不同通道采用不同的采樣頻率［10］。程序流程圖如圖6所示，圖中V1和V2為采集信號波形過零點(diǎn)前后的2個采樣點(diǎn)，查找到這2個點(diǎn)是精確計(jì)算過零點(diǎn)的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)采集完成后，通過Nios II系統(tǒng)來判斷過零點(diǎn)，當(dāng)相鄰兩個點(diǎn)的正負(fù)性相反時，確定它們之間有一過零點(diǎn)。確定一過零點(diǎn)后就對過零點(diǎn)計(jì)數(shù)值加1(從0開始計(jì)數(shù))，把總的過零點(diǎn)數(shù)記為N，然后通過軟件插補(bǔ)細(xì)分算法精確計(jì)算第1個零點(diǎn)和第N點(diǎn)所對應(yīng)的時間，進(jìn)而計(jì)算振動頻率值。

3.2 振動時間精密確定

圖4 NiosⅡ系統(tǒng)構(gòu)建圖

圖5 SOPC系統(tǒng)組建圖

采樣結(jié)束后，NiosⅡ系統(tǒng)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，讀取暫存于SDRAM存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完成后，NiosⅡ系統(tǒng)對采集到的數(shù)字信號進(jìn)行有效的分析并處理，其目的是通過采集數(shù)據(jù)對SOPC中測得的時間進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，實(shí)現(xiàn)納秒級精度的時間測量，然后通過時間與頻率的關(guān)系得到對應(yīng)的頻率值，并將結(jié)果顯示到LCD上。

如圖7所示，振動時間由T1、nTA/D和T23部分組成，其中TA/D為A/D轉(zhuǎn)換的采樣周期，從P0″與P8'之間有n個采樣周期，則nTA/D為P0″與P8'之間的時間。

在過零點(diǎn)附近較小的區(qū)域內(nèi)，電壓信號的波形接近于直線，可以根據(jù)直線插補(bǔ)的方法確定Tx為:

則T1為:

同理有T2為:

式中:V1、V2、V1'、V2'為過零點(diǎn)附近的2個采樣值。

根據(jù)式(3)～式(5)可得振動時間T為:

圖6 軟件流程圖

圖7 信號過零點(diǎn)示意圖

如圖7所示，以8個過零點(diǎn)(4個信號周期)來計(jì)算頻率值，利用特殊的軟件插補(bǔ)細(xì)分算法對起點(diǎn)(P0)和終點(diǎn)(P8)所對應(yīng)的時間 t0和 t8分別進(jìn)行精確計(jì)算，中間過零點(diǎn)(P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7)只需根據(jù)它們前后采樣點(diǎn)的正負(fù)判斷它們是過零點(diǎn)即可，不需要精確計(jì)算它們對應(yīng)的時間，則信號的頻率fx為

軟件插補(bǔ)細(xì)分算法可對起點(diǎn)(P0)和終點(diǎn)(P8)之間的時間差進(jìn)行精確測量，從而可以實(shí)現(xiàn)高精度的頻率測量。

4 頻率儀的分辨率分析

分辨率是測量儀器的一個重要參數(shù)，在設(shè)計(jì)儀器時，對所設(shè)計(jì)的測量儀進(jìn)行分辨率分析是一個必不可少的環(huán)節(jié)。在振動時間確定中已經(jīng)分析出振動時間公式為

從上式可知，P0'和P0″之間的時間為TA/D，采樣電路中采用12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行采樣，在P0'和P0″采得的電壓值分別為V1、V2，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)，過零點(diǎn)所對應(yīng)時刻的分辨率可用表達(dá)式表達(dá)為

假設(shè)A/D的分辨率是14位，那么可以將信號的幅值分為4 096份，A/D的最高采樣頻率可達(dá)50 MHz，可以通過時鐘控制把該芯片的采樣頻率設(shè)定到32 MHz，則在正弦波正的最大值到負(fù)的最大值的半個周期內(nèi)，可以最多采32個點(diǎn)，如果把正弦波正的最大值到負(fù)的最大值的半個周期內(nèi)的波形看作是直線，則顯然可知

觀察正弦波正的最大值到負(fù)的最大值的半個周期內(nèi)的波形可以看出，過零點(diǎn)附近曲線的斜率遠(yuǎn)大于峰值附近曲線的斜率，則有

根據(jù)式(9)～式(11)得時間測量分辨率為:

從而有信號時間測量的分辨率小于0.061 ns。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頻率的高精度測量。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)C(jī)械設(shè)備的振動頻率進(jìn)行實(shí)時檢測的振動頻率測量儀。設(shè)計(jì)的頻率儀具有如下特點(diǎn):

(1)通過通道切換，不改變采樣頻率的大小，對多路輸入的不同通道采用不同的采樣頻率，實(shí)現(xiàn)寬量程的頻率采樣;

(2)SOPC數(shù)據(jù)處理部分嵌入32位NiosⅡ軟核處理器，硬件資源少，測量方便。

(3)采用了基于SOPC的硬件電路和特殊的軟件插補(bǔ)細(xì)分算法，達(dá)到了實(shí)時檢測的目的，同時使用該軟件插補(bǔ)細(xì)分算法可以實(shí)現(xiàn)分辨率為0.061 ns的時間測量，從而實(shí)現(xiàn)高精度的頻率測量。

［1］劉曉紅.頻率測量方法概述.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012(8):7.

［2］ITANO W M，RAMSEY N F.Accurate measurement of time.Science America，1993，269(1):56 －65.

［3］陳濤，肖亞妮，閆 睿.基于單片機(jī)多路等精度頻率計(jì)設(shè)計(jì).甘肅科技，2012，28(19):14 －16.

［4］吳海明，王偉.基于單片機(jī)與FPGA的等精度頻率計(jì)設(shè)計(jì).兵工自動化，2009，28(3):79 －80.

［5］向誠，夏國榮，桂玲.基于單片機(jī)和FPGA的高速測頻系統(tǒng)的開發(fā).國外電子測量技術(shù)，2006，25(12):47－51.

［6］潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL.北京:清華大學(xué)出版社，2010:20－25.

［7］陳成.基于SOPC的手持式電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀設(shè)計(jì).電測與儀表，2012，49(10):161 －164.

［8］蔣偉林，胡躍明，陳安.基于SOPC的貼片機(jī)視覺處理系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器，2011(3):79 －81.

［9］張娟娟，蒲南江.基于SOPC的嵌入式數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì).電子測試，2011(8):81－83.

［10］郝云峰，唐一科.基于FPGA的機(jī)械振動信號采集和以太網(wǎng)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn).機(jī)械制造，2008，46(8):74 －76.