X光安檢機(jī)控制信號(hào)時(shí)鐘提取的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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在安檢機(jī)系統(tǒng)中，安檢機(jī)的主設(shè)備與控制臺(tái)的雙向通信具有非對(duì)稱性，由主設(shè)備X射線端采樣得到的大量數(shù)據(jù)通過高速通道傳送至PC控制臺(tái)進(jìn)行處理。然而由控制臺(tái)傳送給安檢機(jī)的控制信號(hào)，因數(shù)據(jù)量較小，僅需低速通道進(jìn)行傳輸即可，并且在安檢主設(shè)備端對(duì)于高速數(shù)據(jù)的處理是基于FPGA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的，若同時(shí)采用單片F(xiàn)PGA對(duì)接收控制信號(hào)進(jìn)行處理，一方面可減少硬件電路的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，另一方面也降低了設(shè)備成本。但與此同時(shí)，若該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)串行通信方式，則在處理高速數(shù)據(jù)的FPGA電路單元中引入低速時(shí)鐘線，不僅容易受到電路板上高頻信號(hào)的影響，而且由于控制臺(tái)距離CT機(jī)距離較長(zhǎng)，不利于時(shí)鐘信號(hào)的傳輸。因此，對(duì)于安檢機(jī)控制信號(hào)的傳輸一般采用單路串行低速通信方式。對(duì)于這種傳輸方式，在FPGA上采用一種高效的數(shù)字時(shí)鐘提取技術(shù)就十分必要。
1 數(shù)字時(shí)鐘提取環(huán)路基本原理
數(shù)字鎖相環(huán)能讓本地產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)相位，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。數(shù)字鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)是由數(shù)字鑒相器(DPD)、數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)、數(shù)字可控振蕩器(DCO)和本地時(shí)鐘源(LC)組成的一個(gè)反饋環(huán)路，其具體原理框圖如圖1所示。
基于數(shù)字鎖相環(huán)的數(shù)據(jù)時(shí)鐘提取系統(tǒng)工作原理如下：本地產(chǎn)生一個(gè)高頻率的時(shí)鐘，數(shù)字鑒相器通過輸入信號(hào)與估算時(shí)鐘進(jìn)行鑒相比較，輸出鑒相信息。之后由數(shù)字環(huán)路濾波器根據(jù)鑒相信息對(duì)相位誤差進(jìn)行平滑運(yùn)算，輸出數(shù)控振蕩器控制信號(hào)，通過對(duì)本地估算時(shí)鐘的相位調(diào)整，最終跟蹤到輸入數(shù)據(jù)的位同步時(shí)鐘。
2 各模塊功能及實(shí)現(xiàn)原理
2．1 數(shù)字鑒相器
數(shù)字鑒相器用于獲取輸入信號(hào)與本地估算時(shí)鐘的相位比較信息，常用異或門實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字鑒相器中，首先將輸入信號(hào)的正向過零脈沖與本地估算信號(hào)的正向過零脈沖進(jìn)行比較，從中得到一個(gè)表明相位提前或延后誤差的脈沖輸出，其寬度反映超前(滯后)相位的多少。當(dāng)本地估算信號(hào)超前于輸入信號(hào)時(shí)，其輸出為超前脈沖，反之，則為滯后脈沖。綜合考慮到安檢系統(tǒng)中的控制信號(hào)屬于數(shù)字信號(hào)，并且由于FPGA的資源主要用于完成采集數(shù)據(jù)的處理，應(yīng)盡量減少對(duì)FPGA資源的使用。本文的方案采用了超前／滯后數(shù)字鑒相器。
超前／滯后數(shù)字鑒相器硬件實(shí)現(xiàn)有兩種方式，分為積分型結(jié)構(gòu)與微分型結(jié)構(gòu)。積分型結(jié)構(gòu)的硬件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，但具有良好的抗干擾性能；微分型結(jié)構(gòu)則具有相反特性。為了優(yōu)化系統(tǒng)性能，選擇使用微分型結(jié)構(gòu)。盡管微分型結(jié)構(gòu)的抗干擾能力較弱，但是結(jié)合安檢機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際環(huán)境，該結(jié)構(gòu)可以滿足系統(tǒng)需要。圖2為微分型超前／滯后數(shù)字鑒相器的結(jié)構(gòu)原理圖，圖3為其時(shí)序圖。
評(píng)論