基于FPGA的多普勒測(cè)振計(jì)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
0 引言
傳統(tǒng)的淺海地形測(cè)量以船只為平臺(tái),采用聲納技術(shù)進(jìn)行,這種測(cè)量方法對(duì)于一些船只難以駛?cè)氲膮^(qū)域便形成了測(cè)量盲區(qū),而機(jī)載平臺(tái)與光聲淺海測(cè)量技術(shù)的結(jié)合克服了這一缺點(diǎn),大大提高了測(cè)量區(qū)域的范圍。基于激光多普勒測(cè)振技術(shù)的聲光耦合系統(tǒng)是光聲淺海地形遙感系統(tǒng)的重要組成部分,包括激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)、水面反射光自適應(yīng)跟蹤系統(tǒng)以及可調(diào)水平平臺(tái)三個(gè)部分。激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)能夠應(yīng)用多普勒效應(yīng),利用激光的高相干性測(cè)量光聲淺海地形遙感系統(tǒng)中水表面的振動(dòng)速度,進(jìn)而獲得水中的聲信息。該聲信息的采集和進(jìn)一步處理正是通過基于FPGA 的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。
針對(duì)遙感系統(tǒng)的工作環(huán)境特點(diǎn)、待處理信號(hào)的頻譜特征以及系統(tǒng)信噪比等要求,綜合比較多種信號(hào)采集系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn),本文提出了一種基于FPGA的激光多普勒測(cè)振計(jì)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,該方案可以實(shí)現(xiàn)光聲淺海地形遙感探測(cè)中的水聲信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與處理。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
激光多普勒測(cè)振計(jì)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)要求既要具有高速實(shí)時(shí)的采集和處理能力,也要具有豐富的外部接口,同時(shí),考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈活性的要求,采用核心板和底層板結(jié)合的硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,FPGA 芯片采用Atera 公司的Cyclone Ⅱ 系列EP2C5Q208C8N,它采用90 nm 工藝,具有4 608個(gè)邏輯單元。此外,系統(tǒng)還包括信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路模塊、D/A 轉(zhuǎn)換電路模塊和外部接口單元等部分組成。
系統(tǒng)采用±15 V 電源供電,選用多塊電壓轉(zhuǎn)換芯片,提供5 V,1.8 V,3.3 V和1.2 V電壓。
2 信號(hào)采集和處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 硬件電路設(shè)計(jì)
激光多普勒測(cè)振計(jì)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)采用核心板和底層板結(jié)合的硬件結(jié)構(gòu),核心板主要包括FPGA芯片、串行配置芯片(EPCS)、聯(lián)合測(cè)試調(diào)試接口(JTAG),其通過108個(gè)引腳插針與底層板插座一一對(duì)應(yīng)連接。
底層板電路主要包括電源轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和串行通信轉(zhuǎn)換電路。
電源轉(zhuǎn)換電路通過7805 穩(wěn)壓芯片、AMS1117 穩(wěn)壓芯片和LM1085穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)電源電壓的轉(zhuǎn)換,為系統(tǒng)提供5 V,1.8 V,3.3 V 和1.2 V 電壓。信號(hào)調(diào)理電路模塊包括兩路差分放大電路,每路差分放大電路由一片高性能的全差分音頻運(yùn)算放大器芯片OPA1632 構(gòu)成。A/D 轉(zhuǎn)換電路模塊是在四通道16 位求和型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1174、穩(wěn)壓芯片REF1004 以及集成運(yùn)放芯片OPA350的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的,高速狀態(tài)下,ADS1174芯片速度可以達(dá)到52 KSPS,并支持多通道并行處理。采用DAC8551 和REF02 穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)D/A 轉(zhuǎn)換,DAC8551是一款16 位電壓輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,REF02 穩(wěn)壓芯片為DA芯片提供2.5 V的參考電壓。由于RS 232在通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用RS 232 串行方式進(jìn)行通信,考慮到激光多普勒測(cè)振計(jì)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)中FPGA 接口電路是TTL 電平,所以需要經(jīng)過MAX3232芯片實(shí)現(xiàn)與RS 232標(biāo)準(zhǔn)電平的轉(zhuǎn)換。硬件電路板如圖2所示。
2.2 FPGA邏輯設(shè)計(jì)
在FPGA邏輯設(shè)計(jì)中,采用Altera公司的Quartus Ⅱ綜合開發(fā)環(huán)境對(duì)FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和處理功能,F(xiàn)PGA邏輯設(shè)計(jì)工作流程圖如圖3所示。
評(píng)論