基于CPLD的水下沖擊波記錄儀的設(shè)計
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隨著大規(guī)模集成電路和單片機(jī)的迅速發(fā)展，復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）具有使用靈活、可靠性高、功能強大的優(yōu)點，在電子產(chǎn)品設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。CPLD可實現(xiàn)在系統(tǒng)編程，重復(fù)多次，而且還兼容IEEE1149.1(JTAG)標(biāo)準(zhǔn)的測試激勵端和邊界掃描能力，使用CPLD器件進(jìn)行開發(fā)，不僅可以提高系統(tǒng)的集成化程度、可靠性和可擴(kuò)充性，而且大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期。由于CPLD采用連續(xù)連接結(jié)構(gòu)，易于預(yù)測延時，從而使電路仿真更加準(zhǔn)確。CPLD是標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模集成電路產(chǎn)品，可用于各種數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計。近年來，隨著采用先進(jìn)的集成工藝和大批量生產(chǎn)，CPLD 器件成本不斷下降，集成密度、速度和性能都大幅度提高，這樣一個芯片就可以實現(xiàn)一個復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)；再加上使用方便的開發(fā)工具，給設(shè)計修改帶來很大方便。本文以Xilinx公司的CoolRunner系列CPLD芯片為例，實現(xiàn)對水下爆炸時沖擊波信號數(shù)據(jù)的記錄。
2 水下沖擊波記錄儀的組成及工作原理
2.1 功能介紹
該水下沖擊波記錄儀電路主要用于測試水下爆炸時沖擊波的強弱,通過專用數(shù)據(jù)處理軟件它能夠?qū)Σ杉降臎_擊波信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形重現(xiàn), 并從波形上可讀出沖擊波的壓力峰值及其上升時間和作用時間。
2.2 體系結(jié)構(gòu)組成
水下沖擊波記錄儀由數(shù)據(jù)記錄器、接口、測試數(shù)據(jù)處理軟件三部分組成。數(shù)據(jù)記錄器是一個集壓力傳感器、瞬態(tài)波形記錄器、接口、電源等于一體的微型測試裝置，內(nèi)置電壓放大器，直流供電，輸入信號經(jīng)放大、高速A/D轉(zhuǎn)換后實現(xiàn)自動數(shù)字存儲。
2.3 工作原理
壓力傳感器的主要作用是敏感水下沖擊波的強弱，其輸出通過恒流源電路把沖擊壓力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。調(diào)理電路將信號轉(zhuǎn)換到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入范圍之后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其進(jìn)行采集，通過中心控制模塊對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號的幅值進(jìn)行判斷并對存儲器地址進(jìn)行初始化、遞推，數(shù)字信號即被存儲。讀數(shù)時計算機(jī)通過并口發(fā)出讀數(shù)時鐘及命令，對三路存儲器進(jìn)行路選、片選并將其中的數(shù)據(jù)讀出。
記錄儀觸發(fā)方案采用負(fù)延遲內(nèi)觸發(fā)：當(dāng)信號幅值大于或等于傳感器輸出滿量程的10%時啟動負(fù)延遲，而當(dāng)信號幅值小于此值時系統(tǒng)處于循環(huán)采集狀態(tài),從而可以有效地防止干擾引起的誤觸發(fā)與不觸發(fā)并準(zhǔn)確、完整地記錄整個沖擊波波形。水下沖擊波記錄儀的原理組成框圖見圖1。
圖1 水下沖擊波記錄儀工作原理圖
3 CPLD的應(yīng)用
在本設(shè)計中主要使用Xilinx公司開發(fā)的CoolRuner CPLD芯片完成設(shè)計。本文設(shè)計中所采用的是該系列中的XCR3256器件,可實現(xiàn)6000門的數(shù)字邏輯電路，內(nèi)嵌256個宏單元，支持4個全局時鐘，具有低功耗、可快速ISP、延時可預(yù)測等特點。我們選用XCR3256芯片實現(xiàn)水下沖擊波記錄儀主控模塊,該主控模塊用于對各外圍器件的控制，協(xié)調(diào)各外圍器件的工作。外圍器件主要有電源芯片組、靜態(tài)RAM存儲器、晶體振蕩器、A/D轉(zhuǎn)換器、LED、并口等。其中晶體振蕩器包括產(chǎn)生主時鐘的12MHz晶振和產(chǎn)生延時計數(shù)時鐘的1MHz晶振。主控模塊與各外圍器件的框圖如圖2所示。
圖2 水下沖擊波記錄儀主控模塊與各外圍器件電路原理框圖
3.1 靈活性強，開發(fā)周期短
圖2中A/D轉(zhuǎn)換器采用AD7470。它的啟動轉(zhuǎn)換輸入端CONVST由主時鐘分頻得到且采樣頻率可編程。可編程延時電路是通過一個四路撥碼開關(guān)對CPLD輸入不同的電平組合實現(xiàn)的，通過設(shè)定CPLD數(shù)字邏輯對產(chǎn)生延時計數(shù)時鐘的1MHz晶振計數(shù)，輸入不同的電平組合從而譯碼產(chǎn)生不同的延遲時間，而更改電平組合只需對記錄儀的面板操作即可。CPLD器件配以ISE開發(fā)系統(tǒng)可完成設(shè)計輸入、編譯、驗證及編程,設(shè)計校驗可進(jìn)行完整的模擬, 最壞情況下的定時分析和功能測試。設(shè)計人員無需編程器就可重構(gòu)數(shù)字系統(tǒng),具有“硬件軟做”的特點。
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