基于FPGA的網(wǎng)絡(luò)型綜合信號采集卡設(shè)計

宿文玲， 于海宏

（1.黑龍江財經(jīng)學院，哈爾濱150025;2.哈爾濱量具刃具集團有限責任公司，哈爾濱150040）

0 引言

高精度齒輪測量中心是一種精密型齒輪及齒輪相關(guān)工件的專用測量儀器，為保證較高的測量精度，儀器都會配置有高分辨率光柵尺和高精度電感測頭，因此這就要求齒輪測量中心的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部必須具有一個專用的數(shù)據(jù)采集器件，用于光柵信號與電感測頭信號的采集處理，并能夠把處理后的信號傳輸給計算機，通常這類采集器件都是以板卡的形式存在，與計算機的通訊接口大多采用PCI接口和USB接口。雖然這兩種接口應(yīng)用的比較廣泛，歷史也比較悠久，但仍然存在一些缺點。例如計算機的PCI接口易造成接觸不良的情況，且驅(qū)動程序開發(fā)難度較大，而USB接口容易因供電不足導(dǎo)致工作異常。針對以上問題，我們在實際產(chǎn)品研發(fā)過程中，決定開發(fā)一款網(wǎng)絡(luò)型綜合信號采集卡，應(yīng)用網(wǎng)口通訊將杜絕以上兩種接口的弊端，同時傳輸速度與應(yīng)用前景也有著明顯優(yōu)勢，下面就概括介紹一下這款板卡的設(shè)計過程。

1 總體方案設(shè)計

在綜合考慮齒輪測量中心及其它測量儀器的應(yīng)用需求后，編制項目設(shè)計任務(wù)書，確定本次設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)型綜合信號采集卡應(yīng)具有如下特點：1）采集卡采用網(wǎng)路接口與計算機通訊，可將經(jīng)過采集、運算的信號傳輸給計算機，也可接收來自上位計算機的各種指令信號，運行過程中信號傳輸要穩(wěn)定、可靠，不能數(shù)據(jù)丟失或傳輸中斷。2）本采集卡是一塊多路綜合信號采集卡，為能夠更廣泛滿足多型號齒輪測量中心和其它類似測量儀器的使用要求，采集卡應(yīng)能夠同時采集8路光柵數(shù)字信號與3路電感測頭模擬信號。3）綜合信號采集卡可實現(xiàn)多種運算功能，例如：實現(xiàn)上電自動復(fù)位計數(shù)器；實現(xiàn)等間距數(shù)據(jù)采集或等時間數(shù)據(jù)采集；實現(xiàn)單個計數(shù)器單獨清零、計數(shù)器整體清零、通過光柵零位信號單獨清零或整體清零；以及實現(xiàn)單點數(shù)據(jù)采集和批量數(shù)據(jù)采集。4）在滿足基本功能的前提下，綜合信號采集卡的電路設(shè)計應(yīng)盡量簡潔，具有一定靈活性。因此核心信號處理電路將采用FPGA可編程門電路芯片完成，這使得板卡的主要數(shù)字信號處理和運算功能將通過軟件編程的形式實現(xiàn)，使采集卡功能一定程度上擺脫了硬件的限制，具備很高的靈活性。5）板卡設(shè)計應(yīng)充分考慮可調(diào)試性和抗干擾能力。

2 采集卡的具體設(shè)計

根據(jù)總體設(shè)計方案所要達到的設(shè)計目標，本次設(shè)計的綜合信號采集卡按照所需實現(xiàn)的功能，我們可將其原理圖按照功能分為如下幾個模塊：光柵信號接口模塊、電感測頭接口模塊、FPGA芯片主信號處理模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊以及電源模塊，按照這樣的設(shè)計思路，逐個模塊地完成整套設(shè)計。因此從這幾個功能模塊入手，參照以往的設(shè)計項目案例，開始綜合信號采集卡的具體設(shè)計。

2.1 信號接口設(shè)計

依據(jù)采集卡的整體設(shè)計方案，此次設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)型綜合信號采集卡的信號接口有三大類：1）兩類輸入信號接口，分別用于接收光柵信號和電感測頭信號；2）采集信號經(jīng)FPGA芯片處理后，通過網(wǎng)絡(luò)接口輸出給上位計算機進行最終運算。光柵信號的接收以往設(shè)計中已有很多成熟案例，只需將光柵信號用專用差分接收芯片MC3486接收轉(zhuǎn)換；電感測頭信號是模擬信號，需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7684處理；兩路輸入信號進行接收、轉(zhuǎn)換后共同送入FPGA芯片進行數(shù)據(jù)運算與處理。信號經(jīng)運算、合成、變換后將通過網(wǎng)絡(luò)接口輸出給上位計算機。在本設(shè)計中采用網(wǎng)口接口芯片W5100、網(wǎng)絡(luò)傳輸控制芯片LPC2148和網(wǎng)絡(luò)控制存儲芯片AT24C02組成一套完整的網(wǎng)絡(luò)傳輸接口，在批量數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)據(jù)格式采用幀結(jié)構(gòu)，一幀中包含2048個8位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲滿后通過網(wǎng)絡(luò)接口芯片中斷上位計算機，計算機收到中斷后開始讀取數(shù)據(jù)處理芯片上的數(shù)據(jù)。同時，網(wǎng)絡(luò)型光柵計數(shù)器上面的存儲、傳輸方式采用交替存儲、傳輸模式，以保證數(shù)據(jù)不會在采集與存儲中丟失。

2.2 FPGA芯片選型及相關(guān)設(shè)計

接收光柵信號與電感測頭信號的運算處理，以及信號經(jīng)處理后通過網(wǎng)口接口向上位計算機的傳輸控制都需要FPGA芯片來完成，由此可見FPGA芯片是本次設(shè)計采集卡的數(shù)據(jù)處理與控制核心，也是本次設(shè)計的重點與難點。在芯片的選擇上我們直接選擇了常用的Altera公司CycloneⅡ系列產(chǎn)品EP2C20Q240型FPGA芯片，這款產(chǎn)品技術(shù)資料與案例例程豐富，可以很快上手設(shè)計。原理圖設(shè)計工程中，我們通過Quartus軟件給FPGA芯片分配管腳定義,分配時要充分考慮到后期PCB板布線的合理性，將相同功能的管腳定義到芯片同側(cè)。因為此次設(shè)計的是一款綜合信號采集卡，F(xiàn)PGA芯片所承擔的處理運算功能較多，而且在實際應(yīng)用階段還可能根據(jù)應(yīng)用要求的不同進行功能調(diào)整，所以若想把FPGA內(nèi)部程序設(shè)計成一套整合的代碼程序，開發(fā)難度很大而且程序移植性也不高。為了規(guī)避這樣的設(shè)計風險，我們將各個功能用編程語言開發(fā)完后封裝成獨立的圖形模塊，再結(jié)合設(shè)計軟件自帶的常規(guī)圖形模塊實現(xiàn)設(shè)計功能，這樣FPGA內(nèi)部的整套程序都將是圖型化的形式，這種混合的設(shè)計方法大大增強了程序的可讀性、可移植性，也降低了開發(fā)難度。

2.3 采集卡電源模塊設(shè)計

根據(jù)所選電氣元件的應(yīng)用情況，通過查詢芯片手冊可以知道保證采集卡上各種芯片的工作只需要提供+5 V和+3.3 V兩種電源信號，其中+5 V電源在數(shù)控系統(tǒng)中是常用電源，因此采集卡的+5 V電源我們可以設(shè)計成從數(shù)控系統(tǒng)中取得，而+3.3 V電源可以通過電源轉(zhuǎn)換芯片TPS75733將+5 V轉(zhuǎn)換得到。為保證采集卡的穩(wěn)定工作，穩(wěn)定的電源是基礎(chǔ)，因此在設(shè)計板卡電源模塊時，應(yīng)合理地安置濾波電容、濾波電感，避免外部電源波動對板卡的干擾。同時，電源保險絲與電源指示的燈的布置也是必不可少的，這些小的設(shè)計細節(jié)可以顯著提高板卡的安全性與易用性。

2.4 采集卡PCB板圖設(shè)計

在完成全部原理圖設(shè)計后，需要將原理圖借助設(shè)計軟件繪制成可供生產(chǎn)使用的PCB板圖，在本次設(shè)計工程中我們遵循以往的設(shè)計經(jīng)驗，比如按照信號走向布局元器件位置；有信號連接關(guān)系的芯片擺放距離盡量較近，減少走線長度；電源線與地線應(yīng)適當加粗；關(guān)鍵信號電應(yīng)預(yù)留檢測點，以方便板卡的調(diào)試；板卡正反面雙面覆銅提高抗干擾性等。除了以上PCB設(shè)計常規(guī)經(jīng)驗外，為了盡量減少采集卡的體積，電阻電容電氣元件我們都采用0603小尺寸貼片封裝形式；同時為了進一步提高板卡的抗干擾性及穩(wěn)定性，我們采用了4層PCB板的結(jié)構(gòu)，將電源與地獨立布局到一層，這樣的設(shè)計也增強了板卡的力學強度。

3 樣卡的試制與調(diào)試

樣試板卡的PCB板生產(chǎn)完成后，按照板卡裝配圖（見圖1）逐一焊接電氣元件，焊接過程中將封裝不合理、焊接空間不夠等問題記錄清楚，以便后續(xù)對PCB板進行完善設(shè)計，全部元件裝配完成后，先嘗試接通電源，確認電源指示燈正常，無短路或異常發(fā)熱情況后，連接光柵信號、電感信號及網(wǎng)絡(luò)通訊，開始逐項測試網(wǎng)絡(luò)通訊及光柵和電感信號采集過程。經(jīng)過反復(fù)的測試與修改，樣試板卡終于實現(xiàn)了所有設(shè)計功能。隨后，將這套新設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)型綜合信號采集卡，應(yīng)用到了L型齒輪測量中心的數(shù)控系統(tǒng)中，試驗樣卡很好地實現(xiàn)了測量中心數(shù)控系統(tǒng)所需的所有功能需求。后續(xù)試驗中，為了驗證板卡的穩(wěn)定性，我們還針對樣試的采集卡進行了24 h不間斷連續(xù)運轉(zhuǎn)試驗，經(jīng)3 d的不間斷試用，證明本次設(shè)計的板卡是穩(wěn)定可靠的，可以滿足測量儀器對數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用要求。

圖1 板卡裝配圖

4 結(jié)語

這套網(wǎng)絡(luò)型綜合信號采集卡的設(shè)計,不同于傳統(tǒng)采集卡,應(yīng)用起來更加靈活方便,可避免以往采集卡的應(yīng)用弊端,也使將來遠程網(wǎng)絡(luò)綜合數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測成為可能,因此這種網(wǎng)絡(luò)型綜合信號采集卡的研發(fā)具有很高的實際應(yīng)用價值,同時對于其它網(wǎng)絡(luò)型功能板卡的設(shè)計具有參考價值。

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