沖擊信號處理芯片設(shè)計、實現(xiàn)及應(yīng)用

　　引　言

　　沖擊信號的測量數(shù)據(jù)是確定飛行器工作環(huán)境條件的重要依據(jù)。沖擊信號的帶寬一般為10 Hz 到5 kHz ,采樣頻率不低于20 kHz/ s ,編碼一般應(yīng)大于10 bit (沖擊信號的動態(tài)范圍較大)。沖擊信號的測量是遙測系統(tǒng)的難題,它要求遙測系統(tǒng)具有很大的傳輸帶寬。例如:傳輸一個測點X/ Y/ Z三個方向的沖擊信號測量數(shù)據(jù),大約需要600 kbit/ s 信道容量。沖擊信號的巨大數(shù)據(jù)量給飛行器遙測系統(tǒng)的設(shè)計帶來了壓力。

　　由于壓電加速度計具有體積小、安裝方便等優(yōu)點,飛行器遙測系統(tǒng)一般采用壓電加速度計直接測量沖擊波。但是,沖擊波大都是復(fù)雜的振蕩型脈沖,它本身不便于分析和比較。工程上研究沖擊的目的,不是研究沖擊波形本身而更注重于沖擊作用于系統(tǒng)的效果,或者說沖擊運動對系統(tǒng)的損傷勢。因此,飛行試驗中獲取的遙測沖擊數(shù)據(jù),事后一般被處理成最大絕對沖擊加速度響應(yīng)譜,來分析飛行器在飛行中的沖擊環(huán)境。

　　本文介紹的基于可編程門陣列( FPGA) 實現(xiàn)的沖擊信號處理芯片,能在飛行器飛行過程中,實時完成對三路沖擊信號的分析和處理,將沖擊信號的處理結(jié)果代

　　替沖擊波的原始測量數(shù)據(jù)傳到地面,利用沖擊信號的處理結(jié)果(主要是最大絕對沖擊加速度響應(yīng)譜和加速度計輸出零位、最大值、最小值) 的數(shù)據(jù)量遠少于沖擊波測量數(shù)據(jù)的特點,減小沖擊信號傳輸所要求的帶寬,實現(xiàn)沖擊信號的頻帶壓縮。

　　最大絕對沖擊加速度響應(yīng)譜計算方法

　　式(1) 為用改進的遞歸數(shù)字濾波法求固有頻率為f i 單自由度系統(tǒng)沖擊加速度Xf i( k) 的數(shù)學模型。

　　式中: u ( k) ——沖擊信號幅值,Δt ——沖擊信號采樣間隔,N ——沖擊信號采樣點數(shù), f i ——單自由度系統(tǒng)固有頻率,ζ——單自由度系統(tǒng)阻尼系數(shù), Nf ——具有不同固有頻率的單自由度系統(tǒng)數(shù)量, Xf i( k) ———固有頻率f i 單自由度系統(tǒng)加速度,| Xf i( k) | max ———Xf i( k) 時間軸上的最大絕對值。| Xf i( k) | max作為單自由度系統(tǒng)固有頻率f i 的函數(shù)即為最大絕對沖擊加速度響應(yīng)譜。

　　芯片主要功能及設(shè)計參數(shù)

　　芯片主要功能

　　考慮到實際應(yīng)用中一般測量X/ Y/ Z 三個方向的沖擊加速度,為了減小產(chǎn)品體積,沖擊信號處理芯片采用SoC 設(shè)計思想,將三路沖擊信號的處理、數(shù)據(jù)存儲及輸入輸出管理集成在一個芯片上;同時,為了簡化產(chǎn)品電路設(shè)計,沖擊信號處理芯片還提供所有與之相連外圍電路的控制信號。為了減小誤差積累,沖擊信號處理芯片對沖擊信號實現(xiàn)分段處理并總是保存當前測試時間段最大絕對沖擊加速度響應(yīng)譜,遙測系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)容量和實時性要求,隨機讀取當前處理時間段的最大絕對沖擊加速度響應(yīng)譜,調(diào)整沖擊數(shù)據(jù)壓縮比。

　　沖擊信號處理芯片的主要功能如下:

　　(1) 定時或外部觸發(fā)方式實現(xiàn)沖擊信號分段;

　　(2) 分段計算三路沖擊信號最大絕對沖擊加速度響應(yīng)譜;

　　(3) 分段計算沖擊信號零位;

　　(4) 實時捕獲沖擊信號最大值和最小值;

　　(5) 記錄沖擊信號最大值和最小值發(fā)生時刻;

　　(6) 提供A/ D 變換器、串行通信接口或并行通信接口控制信號。

　　芯片設(shè)計參數(shù)

　　沖擊信號處理芯片設(shè)計之前,有多個設(shè)計參數(shù)需要確定,如:采樣頻率、濾波系數(shù)字長、沖擊響應(yīng)譜運算字長、單自由度系統(tǒng)固有頻率的取值范圍等等。這些參數(shù)既互相關(guān)聯(lián)、又互相制約,它們直接影響沖擊信號處理芯片的綜合性能。表1 為結(jié)合飛行器遙測系統(tǒng)容量、FPGA 硬件資源、處理器功耗,從減小沖擊響應(yīng)譜處理誤差和確保濾波器穩(wěn)定工作的角度,綜合權(quán)衡多種因素后,確定的沖擊信號處理芯片的設(shè)計參數(shù)。

　　芯片設(shè)計

　　芯片系統(tǒng)設(shè)計

　　沖擊信號處理芯片采用自頂向下( Top-Down) 的層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。系統(tǒng)由三個獨立的子系統(tǒng)組成( Top1 、Top2 、Top3) ,每個子系統(tǒng)又由三個完成不同功能的模塊組成( In ,Core ,Out) 。圖1 為沖擊信號處理芯片模塊設(shè)計。

　　從結(jié)構(gòu)上看,沖擊信號處理芯片采用模塊化設(shè)計,共設(shè)計五個模塊,它們的名稱和功能分別為:

　　(1) Up- Top 模塊　系統(tǒng)復(fù)位、輸入輸出數(shù)據(jù)管理、起飛信號“真”“偽”判斷及自鎖、定時(或外觸發(fā)) 方式信號分段。

　　(2) Top 模塊　完成一路沖擊信號處理。

　　(3) In 模塊　完成輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理、提供A/ D 控制信號、產(chǎn)生Core 模塊流水運算控制信號、計算輸入信號零位、捕獲輸入信號最大和最小值。

　　(4) Core 模塊　計算最大絕對沖擊加速度響應(yīng)譜。

　　(5) Out 模塊　產(chǎn)生特征碼、單通道輸出數(shù)據(jù)管理。

　　上述五個模塊可以通過不同的組合,完成從一路到多路沖擊信號的處理。

　　芯片存儲器設(shè)計

　　合理的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)不僅有利于充分利用硬件資源,也為優(yōu)化計算流程和提高處理速度創(chuàng)造條件。圖2 為改進的遞歸數(shù)字濾波法信號流程圖(直接型) ,它清楚地描述算法的步驟及實現(xiàn)該算法需要存儲的參數(shù)。

　　由于計算結(jié)果為最大絕對沖擊加速度響應(yīng)譜,除圖2 所示的參數(shù)外,還需要存儲Xf i ( k) 的最大絕對值| Xf i( k) | max。

　　式(1) 中濾波系數(shù)B0i 、B1i 、B2i 、Q1i 、Q2i 是決定濾波器性能的基本參數(shù),采用獨立的ROM存儲,每次FPGA 芯片加電時ROM初始化。Xf i( k - 1) 、Xf i( k - 2) 、| Xf i( k) | max如果共用一個存儲器,控制電路設(shè)計簡單,但Xf i( k - 1) 和Xf i( k - 2) 動態(tài)范圍遠遠大于| Xf i( k) | max ,與| Xf i( k) | max存儲在同一存儲器中會造成存儲資源浪費,因此,設(shè)計了兩個RAM將它們分開存儲。表2 是根據(jù)表1 所示參數(shù)設(shè)計的存儲器,該方案既保證了存儲資源的有效利用,控制電路也相對簡單。

　　Core 模塊設(shè)計

　　Core 模塊主要完成最大絕對沖擊加速度響應(yīng)譜計算。按表1 所示的設(shè)計參數(shù),當濾波器中心頻率為1/ 12 th 倍頻程(Octave) 時,每采樣一個u ( k) ,Core 模塊需要按式(1) 計算出Nf = 102 個單自由度系統(tǒng)最大絕對加速度。

　　Core 模塊采用流水運算計算Nf 個單自由度系統(tǒng)的最大絕對加速度。每一個單自由度系統(tǒng)最大絕對加速度的計算分(1) 、(2) 兩拍流水完成, (1) 、(2) 兩拍流水又各有自已獨立的5 個節(jié)拍。設(shè)計了一個25 位乘法器和一個50 位累加器,用5 個芯片工作時鐘周期,完成一個單自由度系統(tǒng)最大絕對沖擊加速度的計算。下面以計算固有頻率為f i 的單自由度系統(tǒng)最大絕對加速度為例,介紹Core 模塊工作原理。

　　(1) 分5 步完成5 次乘及4 次累加操作,流程如下:

　　步驟1 　u( k) 與B0i 相乘,累加器初始值為u( k)