基于FPGA的高速AD转换

2012-07-13贺秋实郝国法

电子设计工程 2012年8期

贺秋实，郝国法，钱龙

（武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北武汉430081）

当前实时测距技术有超声波测距、激光测距、雷达测距等。在原理上以上几种测距方式类似，但毫米波雷达测距克服了其他几种探测方式在运用中的一些缺点。毫米波雷达有稳定的探测性能，与光学相比，它不易受对象物表面形状和颜色的影响，而与超声波、红外线相比，它不受大气紊流的影响，且受雨、雾、雪、阳光、灰尘等的干扰小[1]。雷达接收到的信号为一调频连续波信号，而随着数字化的发展，在检测、控制等领域，越来越多的模拟信号需要转换成数字信号进行处理。AD转换即是将输入的模拟信号以二进制数字输出的过程，根据香农（Shannon）定理：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为ωmax，只要按照采样频率ωs≥2ωmax进行采样，那么取出的样品系列（f1*（t），f2*（t），…）就足以代表（或恢复）f（t）。其主要包括采样、保持、量化和编程 4个过程[2]。

对应特定的应用，AD转换要求不同，在高频雷达设计中，要求AD转换有较高的转换速度，才能实时测距；而最终雷达测距的精度，与AD转换、FFT的位数有直接关系[3]。一些自带AD的单片机不仅数据处理速度慢，且AD位数也达不到要求，故本设计采用基于FPGA平台，利用ADS7890实现快速、高精度的模数转换。

1 系统硬件电路

系统主要总体结构如图1所示。

该系统采用ALTERA公司的芯片EP2C35F672C6为控制核心，对ADS7890进行控制及转换结果数据处理。雷达测距可采用雷达IVS-167，它是Innosent公司推出的一款IVS（Innosent VCO stereo）系列的K-波段带VCO的雷达收发器。由于采用平面微带天线结构，且收发天线合一，使得其外形十分小巧，在工作中不仅节能省电，而且非常易于集成于各种电路，也易于在安装环境中构建模块保护设施。

在本设计中，以雷达接收信号为模拟信号输入，通过功放电路使输入信号达到AD转换芯片要求，再利用FPGA产生时序控制ADS7890串行发送数字信号的开始、结束，并对接收到的数据处理后通过led显示结果。

图1 系统硬件结构图Fig.1 Structure diagram of the hardware system

1.1 芯片ADS7890

ADS7890是一种高位快速AD转换芯片，包含2.5 V内部参考电压的模拟14位串行AD转换器，其最高采样率为1.25 MSPS，具有48个引脚，可作为SPI或DSP接口。芯片中含省电设备，当转换速度较低时进入省电模式。芯片可应用于光电传感器、电机电流/电压传感器、医疗检测仪器、高速数据采集系统等。

ADS7890的基本外围电路如图2所示。模拟地与数字地分开。FS、SCLK、SDO 5 个引脚与控制芯片相连。

图2 ADS7890的基本外围电路Fig.2 Basic peripheral circuits of ADS7890

1.2FPGA简介

FPGA（现场可编程门阵列）作为可编程逻辑器件，是在PAL等逻辑器件的基础上发展而来，其规模比较大，可以代替几百块通用IC芯片[4]。它的结构主要由3部分组成：一个二维的逻辑块阵列，构成了其逻辑组成核心；输入/输出块；连接逻辑块的互连资源。随着超大规模集成电路工艺的不断提高，FPGA的规模也越来越大，它的单片逻辑门数已可达上百万门，功能也不断增强。用户可以在其基础上简单快捷的完成设计[5]。本设计采用芯片EP2C35F672C6。

使用FPGA设计数字系统电路主要有如下特点：

1）设计灵活 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

2）集成度高一片FPGA可代替几片、几十片乃至上百片中小规模的数字集成电路芯片。

3）工作速度快 FPGA的设计思想是并行的设计思想，而不是顺序执行的软件思想，这样在设计上就大大提高了系统的工作速度。

4）降低成本随着FPGA的工艺发展，FPGA已经克服自身价位高的缺点[6]，具有较高的性价比。

2 系统软件设计

FPGA的基本控制时序图如图3所示。FS位为数据帧格式调节，其为高时为SPI模式，置低时为DSP模式，此设计用于SPI，将FS置高。CS下降沿触发ADS7890发送数据，在SCLK上升沿发送一位数据，14个脉冲对应AD转换的14位结果，之后用1、2个SCLK周期作为延时，以保证AD结果正确性。设置一位BUSY作为忙标志，置高后不接受数据。设置一复位位RESRT。SDO为数据传输位。

图3 控制时序图Fig.3 Sequence diagram

编程设计采用VHDL语言。VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的计算机高级语言[7]。一个完整的VHDL语言程序通常含有5个部分：实体（Entity）、结构体（ArcbAtecture）、配置（Configuration）、程序包（Package）和库（Library）。

源程序中的结构体定义如下。注意ADS7890的输入对应的是EP2C35F672C6的输出。