基于FPGA的礦用環(huán)境采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 特，李 杰，胡陳君，趙計(jì)賀，薛 棟

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.蘇州中盛納米科技有限公司，江蘇 蘇州 215123)

0 引言

煤炭產(chǎn)業(yè)一直是我國社會(huì)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要物質(zhì)保障，由于近些年的不斷開采，容易開采的淺層礦層已經(jīng)接近枯竭，只能向更深的礦層開采，而伴隨著開采深度的增加，危險(xiǎn)源也隨之到來，如甲烷氣體，礦層坍塌等[1-2]。為保障煤下的人員安全，一套可靠的礦下環(huán)境監(jiān)測顯得尤為重要。而現(xiàn)如今我國的礦下的監(jiān)測系統(tǒng)還存在采集傳感器接口單一，擴(kuò)展性能差，系統(tǒng)和分站之間布設(shè)電纜不易維護(hù)，采集系統(tǒng)分析處理大量數(shù)據(jù)所需時(shí)間長等問題，這些問題可能導(dǎo)致礦下安全監(jiān)測中心不能及時(shí)地獲取可靠的信息，影響人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全[3-4]。

針對以往的礦用傳感器采集系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)了一款基于FPGA的傳感器采集傳輸系統(tǒng)，相比于使用ARM或單片機(jī)來進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)吞吐率更快、實(shí)時(shí)性更好、接口數(shù)量更多且易于實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)相比其他以FPGA為控制核心的采集系統(tǒng)通道數(shù)量更多，采樣精度更高，能夠滿足目前對采集系統(tǒng)的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要是為實(shí)現(xiàn)對于多通道、模擬量和數(shù)字量輸出的傳感器進(jìn)行同步的采集和存儲(chǔ)。系統(tǒng)構(gòu)成部分包括電源模塊、信號調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、FPGA控制模塊、無線傳輸模塊等部分構(gòu)成個(gè)部分，系統(tǒng)總體框架如圖1所示，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

表1 信號主要設(shè)計(jì)參數(shù)表

系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思路是首先對模擬輸出的傳感器信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，如放大濾波等[5-6]，然后 FPGA通過控制具有16 bit的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7616對于4路的模擬信號進(jìn)行采樣，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。同時(shí)將4路輸出數(shù)字量的傳感器通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換輸入到控制芯片中，以實(shí)現(xiàn)同步采樣。最后FPGA將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的編幀，然后發(fā)送到無線傳輸模塊或存儲(chǔ)到備份存儲(chǔ)模塊中。同時(shí)FPGA將采到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，程序中設(shè)定每種傳感器的閾值當(dāng)采集到的傳感器數(shù)據(jù)達(dá)到各自設(shè)定的閾值時(shí)，控制聲光報(bào)警器開始報(bào)警。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件是整個(gè)前段采集系統(tǒng)的核心，對于礦下采集系統(tǒng)而言確保采集到的信號的完整性和準(zhǔn)確性，以及將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)處理并發(fā)送到控制中心非常關(guān)鍵。同時(shí)由于礦下環(huán)境監(jiān)測傳感器種類較多，輸出類型也有所差別，因此兼容性在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該考慮到。

2.1 電源模塊

電源模塊是保證系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，電源的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的精度，針對電源可能存在的不能響應(yīng)負(fù)載電流的快速變化及供電路徑阻抗引起的電壓波動(dòng)問題，采用電源去耦來解決這一問題[7-8]。去耦電容提供了一條低阻抗回路使高頻分量從地釋放，從而減弱電源系統(tǒng)噪聲對其供電器件的影響?？紤]到有時(shí)模擬供電和數(shù)字供電可能由不同芯片提供，為防止相互干擾將模擬供電和數(shù)字供電用0歐電阻單點(diǎn)相接。采集部分電壓轉(zhuǎn)換模塊如圖2所示。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換模塊

對于AD7616而言，為滿足A/D芯片的精度要求，供電噪聲一定要小于其最低有效位，計(jì)算公式為：

(1)

其中:LSB為A/D芯片的最低有效位，F(xiàn)S為A/D的輸入電壓最大值5 V，N為A/D的位數(shù)，經(jīng)計(jì)算AD7616最低有效位大小為152 μV。電壓轉(zhuǎn)換模塊采用REG104-5芯片，輸出噪聲峰-峰值小于33 μV，噪聲遠(yuǎn)小于LSB的值，滿足A/D芯片的供電要求。

2.2 信號調(diào)理和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

在設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)時(shí)，信號調(diào)理模塊的主要是根據(jù)系統(tǒng)對于模擬信號的要求，將模擬信號進(jìn)行放大、濾波，同時(shí)隔離被測信號和采集電路的地線。通過隔離電路將電路的前后級地線相互隔離，保證采集電路安全,還可以用來增強(qiáng)輸入信號的驅(qū)動(dòng)能力[10-11]。此外，模擬輸出的傳感器有效信號的頻率一般集中在1 kHz以下，因此采用濾波器將輸出信號集中在所需頻段。

基于以上要求，運(yùn)放采用OP4177ARUZ作為調(diào)理前段的運(yùn)放。由于模擬信號的輸出電壓在-5～5 V之間，滿足AD的輸入電壓范圍，因此采用電壓跟隨方式。濾波器采用MAX291，作為集成的八階巴特沃斯濾波器，通過電容來調(diào)節(jié)信號的輸出頻率。

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的作用是將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為可被處理器接收的數(shù)字信號[12]。為滿足設(shè)計(jì)的需要，最終選用AD7616為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它是一款可以進(jìn)行16個(gè)通道同步采樣的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。為防止信號輸入端產(chǎn)生反射，造成采到的傳感器噪聲過大，因此需要阻抗匹配。計(jì)算阻抗的公式為：

(2)

其中:VDD為供電電壓5 V，Ripple為供電電壓波動(dòng)范圍的上限10%，ΔIMAX為最大工作電流65 mA，得到阻抗為7.692 Ω。為避免通道間的失調(diào)誤差，同時(shí)將輸入電流限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

圖3 前端調(diào)理電路

2.3 控制模塊和無線傳輸模塊

控制模塊由FPGA與外圍電路組成，主要功能是控制ADC的采樣、還要控制數(shù)字量輸出傳感器的采集，并將相應(yīng)的的數(shù)據(jù)進(jìn)行編幀處理后發(fā)送給無線傳輸模塊或存儲(chǔ)到備份存儲(chǔ)模塊無線傳輸模塊主要是由ZigBee無線通信模塊構(gòu)成，采用MESH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持多跳轉(zhuǎn)發(fā)，為實(shí)現(xiàn)在礦下的無線傳輸在兩采集模塊或網(wǎng)關(guān)模塊和采集模塊之間加入若干路由節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多級轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)信號某一傳輸路徑損壞時(shí)，會(huì)自動(dòng)尋找新的路徑實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

主控芯片采用FPGA是由于其工作穩(wěn)定性好，擁有豐富的門陣列資源，非常適合進(jìn)行復(fù)雜的邏輯控制，有豐富的I/O口資源，系統(tǒng)擴(kuò)展性好，滿足多通信接口的需要。選用ZigBee進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通信是由于礦井下巷道錯(cuò)綜復(fù)雜，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量如果增多，鋪設(shè)線纜和維護(hù)時(shí)成本太高，采用ZigBee無線傳輸模塊低成本、低功耗、延時(shí)短和安全性高。

3 軟件控制程序設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是針對FPGA編寫控制程序，其中主要包括了采集控制程序、FIFO緩存程序、數(shù)據(jù)分析與預(yù)警程序和無線模塊數(shù)據(jù)交互等部分。采集控制程序主要是FPGA控制AD進(jìn)行模擬信號的轉(zhuǎn)換和數(shù)字信息的采集。

FIFO緩存程序是應(yīng)對不同時(shí)鐘的信號過來之后的時(shí)鐘域轉(zhuǎn)換問題。而數(shù)據(jù)分析與預(yù)警程序是將采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的每個(gè)傳感器閾值對比，控制聲光報(bào)警器實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)報(bào)警。FPGA與無線模塊數(shù)據(jù)交互是通過使用I/O口資源實(shí)現(xiàn)串口功能，通過串口將傳感器整合后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線模塊。

3.1 模擬信號采集

為了節(jié)省FPGA的I/O口的數(shù)量，減少對PCB板布局的影響，避免并行總線可能產(chǎn)生的串?dāng)_和反射，本文采用串行工作模式，時(shí)序如圖4所示。為提高吞吐率，AD工作在軟件串行接口2線模式下，此時(shí)V0A到V7A通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果從SDOA引腳輸出，V0B到V7B通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果從SDOB引腳輸出。

圖4 AD工作時(shí)序圖

當(dāng)轉(zhuǎn)換信號從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，啟動(dòng)對輸入模擬信號的轉(zhuǎn)換。BUSY信號為高電平表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，BUSY信號從高電平變?yōu)榈碗娖奖硎巨D(zhuǎn)換已完成，可以通過串行接口回讀轉(zhuǎn)換結(jié)果。為使數(shù)據(jù)輸出線路SDOA和SDOB脫離三態(tài)CS必須為下降沿，此時(shí)轉(zhuǎn)換后的最高有效位開始輸出。時(shí)鐘的上升沿時(shí)將隨后的數(shù)據(jù)位逐個(gè)發(fā)到串行數(shù)據(jù)輸出口。

AD轉(zhuǎn)換程序流程如圖5所示。頂層程序定義了FPGA與AD模塊之間信號的輸出和輸入。

圖5 模擬量轉(zhuǎn)換流程圖

當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，F(xiàn)PGA控制復(fù)位引腳完成對AD7616的初始化，然后發(fā)送啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的信號。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后BUSY變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，此時(shí)片選信號CS置低。在讀取數(shù)據(jù)有效的時(shí)候?qū)?6通道的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)部緩存中，此時(shí)一次的轉(zhuǎn)換完成。這樣不斷循環(huán)實(shí)現(xiàn)模擬量的采集。

3.2 數(shù)字信號采集

對于數(shù)字量輸出的傳感器，它一般為UART串口輸出。對于普通串口輸出的傳感器，它的接口電平為LVTTL電平，對于這種類型的接口，可以直接通過IO接口讀入FPGA中。對于輸出接口是RS422或者RS232的傳感器而言，就需要先將422或者232轉(zhuǎn)換為LVTTL電平，然后傳輸?shù)紽PGA中。FPGA對讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編幀然后緩存到FIFO中。對于外部通過IO口接入FPGA的信號，一般對其先進(jìn)行消抖處理，去除毛刺的干擾。

3.3 數(shù)據(jù)緩存程序

為解決跨時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)傳輸和不同位寬的數(shù)據(jù)匹配問題，本文采用在FPGA內(nèi)部搭建FIFO緩存模塊來解決這個(gè)問題。本文的FIFO模塊共有3種，一種是對于模擬量通過AD轉(zhuǎn)換過后，用于暫時(shí)存放轉(zhuǎn)換過后整合的32位數(shù)據(jù)。還有對于數(shù)字信號經(jīng)過相應(yīng)處理后通過IO口輸入數(shù)據(jù)，這個(gè)8位的數(shù)字量也要存入一個(gè)FIFO中。最后這個(gè)FIFO是用于實(shí)現(xiàn)FPGA到FLASH的接口轉(zhuǎn)換功能。

模擬信號的采集速率往往大于數(shù)字量信號，為實(shí)現(xiàn)對輸入輸出數(shù)據(jù)速率和位寬匹配的要求，本文通過對FIFO模塊讀寫操作來控制，進(jìn)而達(dá)到實(shí)時(shí)、高速采集的采集信號，保證數(shù)據(jù)的完整性。

為方便之后對數(shù)據(jù)的判讀和處理，采用編幀方式來編碼數(shù)據(jù)。將不同傳感器的信息采用固定的幀格式編為一幀數(shù)據(jù)，以采樣率高的模擬量傳感器為基準(zhǔn)，同時(shí)加上特定的幀頭“EB 90”方便對于數(shù)據(jù)讀取后的分析。數(shù)據(jù)編幀格式如表2所述。

表2 編幀格式

幀頭是為方便接收端在接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行準(zhǔn)確性的判斷。幀計(jì)數(shù)是確保在讀取數(shù)據(jù)后判斷與前一幀數(shù)據(jù)是否連貫，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。傳感器數(shù)據(jù)包括模擬量輸出和數(shù)字量輸出兩種，前面32字節(jié)為模擬量傳感器輸出，后面4字節(jié)為數(shù)字量傳感器輸出。最后考慮到數(shù)據(jù)的傳輸和處理，在幀尾加上校驗(yàn)和，即前面所有數(shù)據(jù)和的低八位，如果處理時(shí)發(fā)現(xiàn)校驗(yàn)和錯(cuò)誤，就丟棄此幀數(shù)據(jù)。

3.4 預(yù)警程序和無線交互程序

預(yù)警程序主要是控制聲光報(bào)警器，在檢測到有危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)有效地提醒井下工作人員的目的，主要滿足燈光和響度的要求，報(bào)警燈光要在井下20 m內(nèi)清晰可見，而響度要求不低于80 db。程序在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到井下環(huán)境的復(fù)雜性，將危險(xiǎn)等級分為兩級，當(dāng)井下處于安全環(huán)境時(shí)，亮綠燈，蜂鳴器和紅燈均不工作；當(dāng)采到的傳感器數(shù)據(jù)處于第一個(gè)閾值時(shí)，輕度危險(xiǎn)報(bào)警，綠燈亮蜂鳴器開始報(bào)警；當(dāng)采集到的傳感器到達(dá)第二閾值時(shí)，嚴(yán)重危險(xiǎn)報(bào)警開始，蜂鳴器和紅色LED燈都工作，綠燈不工作，同時(shí)向控制中心開始發(fā)送報(bào)警信息。與無線模塊交互程序是通過FPGA的I/O接口將處理后的傳感器數(shù)據(jù)編幀處理后發(fā)送到無線模塊，同時(shí)接受無線模塊發(fā)送的相關(guān)指令，并將其存儲(chǔ)到外部設(shè)備中。

4 時(shí)序仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所寫程序的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)工作的可靠性，在ISE中對AD7616轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行編寫、調(diào)試和仿真。為驗(yàn)證系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)對于模擬信號和數(shù)字信號的同步采集，將系統(tǒng)安裝在三軸轉(zhuǎn)臺上轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度檢測采集到的數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性。最后進(jìn)行ZigBee模塊的無障礙距離與采集到的傳感器精度測試。圖6為AD7616的時(shí)序仿真，由chipscope的時(shí)序仿真確定AD轉(zhuǎn)換程序的準(zhǔn)確性。

圖6 AD轉(zhuǎn)換時(shí)序仿真

由圖6可以看出，在AD串行輸出的模式下，當(dāng)轉(zhuǎn)換信號convst_OBUF來臨后，片選信號CS_n置地。當(dāng)遇到時(shí)鐘SCLK的上升沿時(shí)，計(jì)數(shù)器rx_numA開始計(jì)數(shù)，同時(shí)移位寄存器reve_dataA在每個(gè)時(shí)鐘上升沿后左移一位，當(dāng)經(jīng)過十六時(shí)鐘后得到一個(gè)16位轉(zhuǎn)換后的值，然后將datacheckA輸入到FIFO之中,此時(shí)完成一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換。當(dāng)連續(xù)的64個(gè)時(shí)鐘之后，一次轉(zhuǎn)換完成。

對于最終的實(shí)物而言，系統(tǒng)時(shí)序上連續(xù)性與準(zhǔn)確性，以及采集傳感器的精度是必須要檢驗(yàn)的參數(shù)。為驗(yàn)證系統(tǒng)對于模擬信號和數(shù)字信號采集的同步性，通過在三軸轉(zhuǎn)臺上采集數(shù)字量輸出的傳感器和模擬量輸出的傳感器來判讀采集到數(shù)據(jù)的判讀。采樣率調(diào)整為1 K,將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分離和處理，得到數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 傳感器輸出測試

通過采集模擬量和數(shù)字量輸出的加速度計(jì)的連續(xù)采樣，證實(shí)了系統(tǒng)在模擬與數(shù)字量采集上的時(shí)序上的同步性和連續(xù)性，對比設(shè)定的位置與采集到的加速度信息，可以證明系統(tǒng)能準(zhǔn)確的采集到傳感器的輸出信號。同時(shí)為保證采集到的的傳感器精度符合要求，對采集電路的精度進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8為系統(tǒng)采集高精度電源輸出的2 V電壓，其采集誤

圖8 采集系統(tǒng)精度測試

差為400 μV，可以滿足被采傳感器的精度要求。對ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的接受和發(fā)送距離測試采用有障礙和無障礙測試，有障礙測試是在教學(xué)樓樓道中進(jìn)行，測試結(jié)果表3所示，以下都是測得6組后取得的平均值。

表3 ZigBee接收有無障礙對比

根據(jù)測試結(jié)果顯示，在空曠無障礙區(qū)域，兩個(gè)ZigBee模塊可以再200 m以內(nèi)正常通信，無丟數(shù)現(xiàn)象。而在有障礙的情況下，兩模塊之間在50 m內(nèi)能正常通信，大于50 m逐漸出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。所以根據(jù)煤礦井下情況的不同，合理布置ZigBee通信節(jié)點(diǎn)以達(dá)到降低數(shù)據(jù)丟失的目的，來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。

5 結(jié)束語

本文首先介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的，隨后介紹了采集電路的總體設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和FPGA的軟件程序設(shè)計(jì)，并且通過程序仿真和實(shí)物驗(yàn)證充分證明了設(shè)計(jì)的可行性和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)中采用FPGA為主控芯片使得系統(tǒng)的擴(kuò)展性得到提高，處理數(shù)據(jù)能力更強(qiáng)，避免數(shù)據(jù)的冗余，增強(qiáng)了井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)該電路具有非常靈活的移植性，適用于各種高精度和多通道的數(shù)據(jù)采集環(huán)境，包括彈載數(shù)據(jù)采集，大棚溫控等諸多測控領(lǐng)域。