基于FPGA的無線傳感器信號傳輸模塊的設(shè)計

亓岳巖，王 剛，王智友，張會新

(1.中北大學(xué)，電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

在飛行器試驗(yàn)中，各種參數(shù)對飛行器有著非常大的影響，如力學(xué)中的壓力、過載、振動、沖擊、加速度等，這些參數(shù)的實(shí)時性和準(zhǔn)確性直接影響到了飛行器試驗(yàn)成功與否，所以一種或多種傳感器放置于飛行器的多個不同位置是必不可少的[1]。傳感器將產(chǎn)生的信息及時并準(zhǔn)確地傳送到飛行器的主控單元，主控單元將通過這些信息對飛行器的相應(yīng)單元動作，并這些信息編碼發(fā)送回地面接收站，進(jìn)行調(diào)整以保障飛行試驗(yàn)的成功[2]。

目前，在飛行器試驗(yàn)中，主控單元與傳感器多采用有線連接，信息的傳輸采用模擬量的形式進(jìn)行直接傳輸。有線連接的信號線會占用飛行器的空間并增加飛行器的質(zhì)量，從而造成飛行器資源利用率低的情況。而模擬信號的直接傳輸容易出現(xiàn)電磁干擾的問題，從而使信號的質(zhì)量降低[3]。

采用無線通信的方式，可以將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行傳輸，以FPGA為控制核心采用濾波技術(shù)和容錯算法，可以較大程度地提高傳輸信號的質(zhì)量。并且無線通信的方式可以極大提高空間利用率，減少了電纜的質(zhì)量，可以有效地提高飛行器的實(shí)際荷載。

1 總體設(shè)計

由于FPGA具有低功耗、集成度高、開發(fā)周期短、低成本、高性能等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此本系統(tǒng)選用FPGA Spartan-6系列的XC6SLX9作為主控單元。采用三向振動傳感器完成力學(xué)環(huán)境中振動量的測量。硬件系統(tǒng)包括低通模擬濾波電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路模塊、FPGA模塊、CC3200射頻電路模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

三向振動傳感器產(chǎn)生3路0～5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓模擬量，先經(jīng)過二階低通濾波器，去除高頻噪聲，然后經(jīng)過放大、跟隨處理，傳輸?shù)紸DS8365模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳輸?shù)紽PGA控制模塊進(jìn)行濾波、編碼后，發(fā)送到射頻電路模塊由CC3200將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為WiFi通信協(xié)議格式后，通過載波信號發(fā)送出去。最后由上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、分析。

2 硬件設(shè)計

2.1 低通模擬濾波電路設(shè)計

為了避免傳感器采集的模擬信號在傳輸過程中受到電磁干擾的影響，需要在模擬信號輸入A/D模塊之前進(jìn)行濾波處理[5]。由于電磁干擾的頻率大都遠(yuǎn)高于2 kHz，本文設(shè)計中采用有源二階低通濾波電路進(jìn)行濾波處理，這樣可以有效提高模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的精度。圖2為有源二階低通濾波電路圖。

圖2中U1 OPA234以及外圍的配置電路組成了典型的壓控式有源二階濾波電路，該濾波電路的截止頻率為2 kHz，可以有效濾除高頻率噪聲。OPA234以及R3、R4構(gòu)成濾波電路自帶的放大功能，由于本模塊所采用的傳感器模塊輸出0～5 V電壓，符合A/D的直接采集要求，所以濾波電路的放大倍數(shù)應(yīng)趨于1。

圖2 有源二階濾波電路圖

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

由于三向傳感器的模擬量輸出有3路，所以選擇ADS8365作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，ADS8365具有6個模擬量輸入端，其內(nèi)部集成6個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化互不干擾ADCs，各通道采樣率均為250 KSPS，16位數(shù)字信號并行輸出，可以達(dá)到1/216的分辨率，完全滿足了模擬輸入量、采樣率以及分辨率的要求，由于模擬輸入量只有3路，其余3路輸入接口均采用10 kΩ電阻進(jìn)行拉高處理，保留的3路使用單端輸入模式[4]。ADS8365電路設(shè)計圖如圖3所示。

圖3 ADS8365電路圖設(shè)計原理圖

ADS8365內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了數(shù)字與模擬部分的完全隔離，所以采用不同的供電方式，其中模擬部分采用+5 V供電電源，數(shù)字部分采用+3.3 V供電電源，所以其數(shù)字電路部分的引腳可以通過22 Ω排阻直接與FPGA相連接，不需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，降低了設(shè)計成本，也減小了模塊設(shè)計的密度與體積。

2.3 FPGA模塊電路設(shè)計

模塊中FPGA的最主要功能就是對ADS8365進(jìn)行時序控制，以固定的采樣頻率獲取模擬輸入信號然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并對數(shù)字信號進(jìn)行FIR濾波處理，然后對數(shù)字信號進(jìn)行編碼。最后FPGA通過無線模塊的反饋信息對編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換并傳輸給無線收發(fā)模塊[6]。

本文中的FPGA有3.3 V和1.2 V 2個供電電平，采用MP1482同步整流減壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行供電電平的轉(zhuǎn)換。MP1482為電源可調(diào)的電源芯片，圖4為電平轉(zhuǎn)換電路圖。

圖4 FPGA電平轉(zhuǎn)換電路

電路設(shè)計中，采用50 MHz有源晶振作為FPGA的工作時鐘，通過特定的引腳輸入輸出。

2.4 CC3200外圍電路設(shè)計

由于內(nèi)部集成了DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器，所以CC3200能夠適應(yīng)不同電壓和電流供應(yīng)，即穩(wěn)定外部1.85 V供電和寬范圍供電模式。這樣的設(shè)計方式使CC3200的供電電源可以選擇相對不穩(wěn)定的電池供電，使用方式更加靈活方便[7]。

由于內(nèi)部沒有集成的ROM，CC3200在程序運(yùn)行時需要將程序存儲在外部提供的串行SPI接口ROM實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計中選用W25Q8BLSNIG作為外部ROM提供程序的存儲功能。上電后，CC3200的程序讀取由外部SPI接口ROM實(shí)現(xiàn)，然后進(jìn)行內(nèi)部寄存器配置。

3 模塊控制邏輯設(shè)計

圖5 ADS8365數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和讀取時序圖

4 測試結(jié)果與結(jié)論

本文的針對模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约盁o線通信進(jìn)行驗(yàn)證，在數(shù)據(jù)傳輸可靠性驗(yàn)證方面，使用三向振動傳感器產(chǎn)生信號，X方向設(shè)定為鋸齒波的振動模式，其中振動最低和最高頻率分別為20 Hz和2 kHz，Y方向?yàn)檎也ǖ哪Ｊ剑琙方向?yàn)殇忼X波的模式。轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)回收到上位機(jī)時采用UART轉(zhuǎn)USB進(jìn)行傳輸，使用HexEdit軟件觀察結(jié)果如圖6所示。并利用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖6 振動實(shí)際測試后HexEdit軟件觀察結(jié)果

從軟件觀察結(jié)果可以看出，實(shí)際測試時3個通道同時進(jìn)行，幀計數(shù)完全連續(xù)，收回的數(shù)據(jù)幀格式也完全對齊，所以不存在丟數(shù)和誤碼情況。

由于實(shí)際測試的周期較長，本文只選用一個周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。MATLAB分析圖如圖7所示。

由數(shù)據(jù)分析圖與實(shí)際測試的情況相對比可以清楚地看出，模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換符合實(shí)際工作狀態(tài)。充分驗(yàn)證了模塊信號傳輸?shù)目煽啃愿摺?/p>

圖7 MATLAB數(shù)據(jù)分析圖

無線通信驗(yàn)證方面主要檢驗(yàn)?zāi)K在數(shù)據(jù)無線傳輸中是否出現(xiàn)誤碼和丟幀的現(xiàn)象。本文采用模塊作為終端，WiFi無線路由器作為AP，三向振動傳感器產(chǎn)生的信號作為模擬輸入。在實(shí)際測量中，在4分11秒的時間內(nèi)讀取了19.866 MB數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕿?.079 MB/s。使用HexEdit軟件進(jìn)行結(jié)果觀察如圖8所示，實(shí)際分析結(jié)果如圖9所示。

分析結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳輸完全正確，不存在誤碼或者丟幀的現(xiàn)象。在后續(xù)多次測試以后，模塊在傳輸中雖然出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象，但出現(xiàn)的幾率非常低，并且在規(guī)定的容錯范圍內(nèi)。這充分驗(yàn)證了模塊無線傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖9 分析軟件分析結(jié)果

本文設(shè)計的無線采集傳輸系統(tǒng)模塊，可以將近距離傳感器模塊產(chǎn)生的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過WiFi技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，且無線傳輸速率可以滿足實(shí)際需求。通過多次的實(shí)際驗(yàn)證，模塊實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換以及無線傳輸功能，具有較高的可靠性，可以有效地節(jié)省空間，提高飛行器的荷載比，并且系統(tǒng)成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的實(shí)用價值。