基于FPGA的多路信号智能集成测控系统设计*

刘雪亭，许　斌

(四川信息职业技术学院，四川 广元 6280401)



基于FPGA的多路信号智能集成测控系统设计*

刘雪亭，许斌

(四川信息职业技术学院，四川 广元 6280401)

摘要：设计了一种基于FPGA的多路信号智能集成测控系统电路，其系统电路采用模块化设计，包括电源模块、多通道模块、信号隔离模块、ADC模块、FPGA主控模块、通信模块和电平转换模块等。所设计的电路将多路信号检测系统和多路信号控制系统集成在一起，解决了一些需要检测和控制联合应用的案例，且设备操作简单，系统应用广泛，尤其适合于汽车信号控制及检测等情形。通过对该电路进行仿真和实际电路的测试，达到了对多路信号智能检测和控制的目的。

关键词：FPGA；多路检测系统；多路控制系统；通道切换

引用格式：刘雪亭，许斌. 基于FPGA的多路信号智能集成测控系统设计[J].微型机与应用，2016,35(12)：31-34.

0引言

现在市面上常见多路信号检测设备能够检测的通道数目最多可达8路，信号检测采样率一般低于2 MHz，且仅限于检测功能，不具备控制功能。对于一些需要多路低频信号检测的系统(如通道数超过10路时)，如汽车线路信号通断检测等案例，使用通用的示波器无法准确判断出各信号间的逻辑关系。且仪器仪表的集成化是仪表测量与仪器控制行业必然的发展趋势，智能化的仪器已逐渐走进千家万户，与人们的健康、日常生活、工作和娱乐活动息息相关[1]。所以有必要设计一款多通道、多用途、安装测试方便且具有对多路信号输出检测和控制功能的智能集成测控设备。

本文设计的基于FPGA的多路信号智能集成测控系统装置，不仅集成了16路信号的检测、示波和人机交互功能，且能控制各路信号在高电平、数字地、浮空输入、高电压输出4种工作状态间转换，并支持对外可调电源输出功能。所研发的设备操作简单，系统应用广泛，尤其适合于汽车信号控制及检测等情形，解决了一些需要检测和控制联合应用的案例。经理论仿真和实物制作测试，验证了本电路达到了对多路信号检测和控制智能集成的目的。

1多路信号智能集成测控系统电路设计

1.1系统总体设计框图

图1　多路信号智能集成测控电路系统图

该系统电路采用模块化设计，包括电源模块、多通道模块、信号隔离模块、ADC模块、FPGA主控模块、通信模块和电平转换模块。系统框图如图1所示。输入信号连接多通道模块，完成16路信号的通道切换。再通过信号隔离模块实现对信号的缓冲、隔离，经过ADC采样模块完成模数转换，ADC模块还与FPGA主控模块连接，实现对ADC输出信号的采集。FPGA主控模块与通信模块连接，其通信模块完成一个USB到串口的转换，FPGA通过指令实现对16路通道的控制，从而实现通信模块与上位机的通信，使系统具有人机界面的简易测控交互功能。电源模块为各单元电路提供工作电压，包括对外输出可调稳压源和内部电源管理两部分。其电平转换模块完成不同电平之间的转换，满足不同电路的输入、输出供电电压。

1.2多通道切换模块和信号隔离模块

CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。在采集板上通过2颗CD4051的级联构成16路的通道切换，其电路如图2所示。

图2　多通道切换模块电路图

图3　信号隔离模块电路图

在采集板中，信号从模拟电子开关输出后，为了减少开关的切换噪声对采样的影响，采用运放OP07构成一个射随电路，实现信号的隔离，其电路如图3所示。OP07芯片是一种低噪声、非斩波稳零的双极性(双电源供电)运算放大器集成电路，同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和传感器微弱信号放大等方面。

1.3ADC模块

图4　ADC模块电路图

采集板采用TLC549芯片完成信号的采样，其电路如图4所示。TLC549是TI公司生产的一种高性能的8位A/D转换器[2]，采用了CMOS工艺，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换时间小于17 μs，最大转换速率为 40 000 Hz，4 MHz典型内部系统时钟。TLC549可以通过三线SPI总线方式完成与FPGA的交互。其供电为5 V，所以其信号输入范围为0～5 V，可以满足外部输入信号的动态电压范围。

1.4FPGA主控模块

图5　FPGA主控模块电路图

以FPGA为逻辑控制核心完成16路数据的接收和缓存[3]，其主控芯片采用灵活性较好的可编程逻辑器件EP1C3T144C8N，该FPGA芯片完成RS422的发送和接收，RS422信号的解码、通道的控制和ADC的采集。因为FPGA是掉电丢失，所以配置一颗PROM，型号为EPCS1N，容量为1 MB，通过AS配置模式，可以将程序下载到该PROM中。在系统上电时，FPGA会自动加载PROM里的程序到内部运行。如图5所示的电路中，FPGA采用48 MHz时钟输入，由一颗3.3 V供电的有源晶振提供。

1.5通信模块

通信采用CH340完成一个USB到串口的转换，使人机界面模块通过USB接口与系统硬件连接。CH340是一个USB总线的转接芯片，能实现全速USB设备接口，兼容USB 2.0，它有硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通信波特率50 b/s～2 Mb/s。在采集板上，该芯片采用5 V供电，通过少量的外围电路即可构成一个高效的传输链路。

图6　通信模块电路图

电路如图6所示，C17和C18是起振电容，帮助晶体Y1快速稳定地输出时钟信号。USB信号D+_p和D-_n是一对差分信号，在PCB布线，保证这两条线等长，这样能提高通信的可靠性。

1.6电源模块和电平转换模块

电源模块由AC到DC的转换模块和DC到DC的升压模块两部分组成。AC-DC转换模块将AC 24V转变成DC 12 V，DC-DC升压模块将DC 12 V变成DC 12～48 V可调。采集板采用USB供电，并通过AMS1117-3.3和AMS1117-1.5分别产生3.3 V电压和1.5 V电压。整板共有3个电压，3.3 V是FPGA的I/O电压，1.5 V是FPGA的核电压，5 V是FPGA外围器件的电压。采集板是数模混合电路，为了信号的完整性，数字电路和模拟电路分开，并采用单点接地。

图9　Quartus环境下仿真时序图

在采集板中，大量的外设都用了5 V的电压，但是FPGA的I/O电压为3.3 V，所以在FPGA和外设的交互过程中，需要进行电平转换。电平转换芯片SN74ALVC164245有A、B两路，共16对信号，可以完成3.3 V和5 V信号之间的相互转换。

A、B两路的信号转换方向和使能都可以单独控制。

2电路仿真和测试

2.1FPGA的控制

FPGA的数据交换有串口通信和并口通信，在本设计中采用串口通信，因其简单且实时性好而被采用[4]。FPGA流程图如图7所示，实现串口发送、串口接收和通道控制过程。其FPGA串口控制时序电路内部设计如图8所示，FPGA串口控制时序仿真如图9所示。

图7　FPGA流程图

图8　Quartus环境下综合电路结构图

2.2上位机软件LabBiew的仿真测试

上位机软件主要完成数据采集、波形显示和通道的切换控制，采用LabView软件来编写实现。LabView提供了非常丰富的图形界面来进行前面板的设计，在该页面中实现了多通道采集的波形以及所有通道采样的波形的实时显示[5]。运行LabView采集软件，设置串口号为USB转串口芯片中被设置的串口号，然后设置波特率为115 200 b/s，点击串口，此时指示灯变绿，表示数据已经连接上，并开始接收数据并在图上显示。在16路通道选择下拉菜单中选择所需要设置的通道号，然后点击“设置通道”按钮完成通道的选择，连接好测试线路，其仿真效果如图10～13所示。

图10　通道1的方波

图11　其他通道杂乱波形

图12　通道1的三角波

图13　通道1数字地

在LabView采集软件下，信号检测通道数为16，采样频率为不小于2 MHz。通过FPGA搭建硬件平台，与LabView上位机软件实现串口通信，实时调整采样波形[6]。从图10可以看出，给采集板的通道1外加一个具有高、低电平的方波时，设置通道选择的“通道1”，PC友好地展示了高、低电平的方波状态，可以检测16路信号的通断状态；若设置其他任意通道，如图11的10通道时，则显示的是杂乱波形；若给采集板的通道1浮空输入，则PC也会出现杂乱波形；若给采集板的通道1外加一个正常状态的三角信号，则其PC也友好地展示了其正常的三角状态，如图12所示；若给采集板的通道1数字接地，则PC显示图13所示的0信号。可见，通过系统性能的测试证明，所设计的电路集成了16路信号的检测、示波和人机交互功能，且能控制各路信号在高电平、数字地、浮空输入、高电压输出4种工作状态间转换，将多路检测与多路多状态控制有效地集成在一起。

3结论

本文设计了基于FPGA的多路信号智能集成测控系统装置，通过具体的仿真分析和对实际电路的测试，结果表明该系统通过16路模拟开关模块与上位PC中的人机界面，完成了对外16路信号的检测和控制。该系统人机界面友好，易上手，方便操作。在不对外供电时，系统耗电低，小于10 W。所设计的设备可应用于多路低频信号(如车载CAN总线)的检测及多路数字线路间逻辑关系的判断应用，以及用于多芯信号线通断检测等情况，有很高的应用价值。

参考文献

[1] 孙传友，李涛．测控系统原理与设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2014．

[2] TI.TLC548C,TLC548,TLC549C,TLC549I8-Bitanalog-To-Digital Converters，with serial control[Z]．2000.

[3] 田博，陈分雄，郭星锋，等．基于FPGA的多路无线信道监听系统设计[J]．电子技术应用，2014，40(5)：87-89，96．

[4] 侯朝勇，胡学浩，庄童．基于FPGA的多路同步实时数据采集系统[J]．电子技术应用，2009，35(10)：103-105．

[5] 吴建，裴峰．基于Labview的多通道数据采集系统设计[J]．电子测试，2013，1(2)：52-54．

[6] 梁赫西，周密，谢虎城，等．基于FPGA与LabVIEW的DDS任意信号发生器设计[J]．微型机与应用，2015，34(2)：25-28．

*基金项目：2014年四川省教育厅立项资助课题(14ZB0440)

中图分类号：TN957.3

文献标识码：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.12.011

(收稿日期：2016-02-24)

作者简介：

刘雪亭(1974-)，通信作者，女，硕士，副教授，主要研究方向：电子与通信、自动控制技术。E-mail：xue_ting_liu@163.com。

Design of multi-channel signal intelligent integrated measurement and control system based on FPGA

Liu Xueting，Xu Bin

(Sichuan Information Technology College, Guangyuan 628040, China)

Abstract:A multi signal intelligent integrated measurement and control system based on FPGA is designed. The circuit is designed in modular design, including power module, multi-channel module, signal isolation module, ADC module, FPGA master control module, communication module and level conversion module. The design of the circuit is integrated with multi signal detection system and multi-channel signal control system, which can solve some cases of joint application of detection and control, and the operation is simple, and the system is widely used, especially suitable for automobile signal control and detection. Through the simulation and the actual circuit testing, the intelligent detection and control of multi-channel signal are achieved.

Key words:FPGA; multiplex detection system; multi control system; channel switching