基于嵌入式的電纜故障檢測儀設(shè)計

　　3 硬件設(shè)計

　　以Altera公司的Cyelone II系列FPGA器件EP2C20為核心，利用其Nios軟核功能設(shè)計了微處理器，并完成了相關(guān)電路的設(shè)計。通過編程FPGA器件定制脈沖發(fā)生、高速時鐘以及高速數(shù)據(jù)存儲FIFO等模塊，以此為基礎(chǔ)設(shè)計了脈沖發(fā)送和接收電路以及高速數(shù)據(jù)采集和處理電路。

　　3.1 微處理器系統(tǒng)

　　簡單來說，Nios是一種處理器的IP核，設(shè)計者可以將它放到FPGA中。Nios軟核處理器是一種基干流水線的精簡指令集通用微處理器，時鐘信號頻率最高可達75 MHz。采用Flash來存儲啟動代碼和應(yīng)用程序，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或加電啟動時，F(xiàn)lash中的啟動代碼將被執(zhí)行。采用SDRAM存儲應(yīng)用程序的可執(zhí)行代碼和數(shù)據(jù)，為程序提供運行空間。Nios軟核與Flash和SDRAM的連接在FPGA中的設(shè)計如圖2所示。

圖2 Nios軟核與Flash和SDRAM的連接在FPGA中的設(shè)計

　　3.2 探測脈沖的產(chǎn)生

　　故障檢測所用脈沖信號的寬度為20～100 ns，F(xiàn)PGA的工作時鐘可以達到200 MHz，在其中生成減法計數(shù)器可產(chǎn)生滿足脈寬要求的脈沖信號。減法計數(shù)器產(chǎn)生脈沖的幅度受限于FPGA的工作電平，對檢測來說是不夠的，因此從FPGA中出來的方波脈沖還要經(jīng)過放大，才可以耦合到被檢測線纜中去。SN74LVC4245A用作電平轉(zhuǎn)換。sta和pulse_input均來自FPGA。本設(shè)計采用的是5 V脈沖幅度，脈沖的饋送采取了晶體管射極驅(qū)動的方式。這種驅(qū)動方式比較簡單，適用的器件也比較多。

　　3.3 A／D轉(zhuǎn)換電路

　　檢測脈沖的寬度為20～100 ns，相應(yīng)的數(shù)據(jù)采樣率在20 MHz和100 MHz之間變化，一般的A／D芯片很難滿足采樣的要求，而用多片A／D芯片在成本和設(shè)計上都比較困難。這里選用美國NS公司的ADC08100，其采樣速率為20～100 Msps，此時采樣的功耗為1.3 mW／Msps，采樣的功耗會隨著采樣時鐘增加而增加，但是采樣的特性不會受到影響，因此在采樣率多樣的系統(tǒng)中一個芯片可以起到多個芯片的作用。根據(jù)采樣速率的不同，通過一個時鐘控制模塊產(chǎn)生相應(yīng)的采樣時鐘信號，使芯片工作在所要求的速率之下，既可以節(jié)約成本，又可以簡化設(shè)計。ADC08 100和FPGA配合使用，可以方便地改變采樣時鐘，具有很大的靈活性。