基于FPGA的模/数混合采集系统优化设计

杨圣龙+任勇峰+李辉景

摘 要： 针对弹上环境采集空间环境模拟量和图像数字量的需求，设计一种以FPGA为核心的模/数混合采集系统。该系统对模拟量采集的运放不稳定性进行分析与优化，提高运放补偿电路的稳定性。在FPGA内通过模/数混合编帧，提高数据存储效率。同时针对图像信号压缩数据的速率变化导致数据的产生速率与传输速率不匹配问题，提出动态平衡编帧的方法解决了速率匹配问题。经实际飞行测试，该采集系统数据输出可靠，可满足系统的各项性能指标。

关键词： 数据采集； 运放补偿； 均匀采样； 模/数混合编帧； FPGA； 动态平衡编帧

中图分类号： TN79+2?34； TP274 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）06?0117?04

Abstract： In allusion to the acquisition requirement of space environment analog quantity and image digital quantity on the missile environment， a analog?digital hybrid acquisition system based on FPGA is designed. In the system， the operational amplifier instability of analog quantity acquisition is analyzed and optimized to increase operational amplifier compensation circuits and improve stability. In FPGA， analog?digital hybrid framing is adopted to improve data storage efficiency. Meanwhile， in allusion to the mismatching problem of data generation speed and transmission speed caused by speed variation of packed image signal data， the dynamic balanced framing method is proposed to solve the speed matching problem. The actual flight test demonstrates that the acquisition system has reliable data output， and can meet various system performance indexes.

Keywords： data acquisition； operational amplifier compensation； uniform sampling； analog?digital hybrid framing；

FPGA； dynamic balanced framing

随着近现代新型武器装备和航天设备的研发，飞行器不仅要采集飞行过程中的空间环境参数，还需将更加直观的图像数据进行回传，这对采集系统提出了新的要求[1]。为满足数据采集存储可靠指标，本文设计以FPGA为核心的采集系统，对采集的模拟信号进行调理优化，图像数字量信号采用动态平衡编帧技术，解决了压缩速率与传输速率匹配问题，将多路模拟信号与数字信号进行混合编帧存储。数据还可通过USB串口传至上位机进行监测，提高了数据的可靠性。

1 系统总体设计

本采集系统主要由以下四部分组成：A/D信号调理模块、ADC转换模块、数字量采集模块、FPGA模/数信号混合编帧模块。A/D信号调理模块负责采集模拟信号，进行滤波调理分压后送至ADC转换模块；ADC转换模块将模拟信号转化为数字量输出至FPGA[2]；数字量采集模块为两路图像数据，通过两路RS 422链路将数据送至FGPA后与模拟信号进行打包并存储。由于不同的模拟量的采样率不同，因此需要对各路信号进行混合编帧后实现平均采样达到数据同步传输。系统设计如图1所示。

2 硬件电路优化设计

为了减弱原始信号中积累的干扰和噪声信号，提高输入信号抗干扰能力，需要对模拟量信号进行滤波调理[3]。再经过分压跟随后使信号满足后级模/数转换器ADC的输入指标要求，以此来提高信号采集精度和灵敏度。

在运放使用时，一般会增加一个负反馈电路起到稳定运放的增益、增加频带、提高保真度的作用，如图2所示，但是负反馈电路的引入会使得运放电路不稳定[4]。此外，由于模拟开关 ADG706引脚间存在200 pF的分布电容[5]，运放在驱动容性负载会在反馈回路上产生额外延迟，导致环路相移滞后。当相移滞后大于135°时，就会导致发生频响尖峰甚至振荡[6]。

图3为某电路中运放输出不稳定，导致的振荡现象。通过在传输线上串联电阻Rx来对运放进行环路补偿，即可将运放和容性负载电路隔离，从而对信号的振铃或震荡起到抑制作用[7]，但这种方法仅适用于容性负载小于1 500 pF的电路，经实验测试，串联电阻Rx一般取值为5～100 Ω。优化后的阶跃响应见图4。

3 数据编帧逻辑和实现

3.1 不同类型数据混合编帧

本数据采集系统主要采集15路采样率不同的模拟量、两路开关量和两路图像数据并进行存储。传统方法是将各种不同类型的数据进行分区间存储，回收时再从对应的存储块区间进行回读[8]。这种方法需要对不同的数据类型分配不同的FIFO进行缓存，当数据类型较多时，造成FIFO资源紧缺。而且在逻辑控制方面，FPGA不仅需要进行FIFO切换，还得控制不同的存储区间，从对应的FIFO中取数进行存储[9]，导致存储空间也需不断进行跳变，使得FPGA逻辑处理复杂化，降低了系统的可靠性。图5为不同类型数据分区间存储示意图。endprint

本系统设计在数据采集时将不同类型的数据进行混合存储，在数据存储时对不同数据类型加入帧结构，即编帧存储。数据回收时，只需要按照帧结构对数据进行解包还原，即可得到原始数据。这种混合编帧的方法简化了FPGA处理流程，大大节省了FPGA资源，并且提高了系统的可靠性，如图6所示。

3.2 均匀采样实现方法

根据奈奎斯特定律，采样频率[10]应为信号频率的2倍。在实际工程应用中，一般为信号频率的4倍以上；另外为保证均匀采样，多次出现的通道应该尽量平均穿插分布在一整帧中，且各通道采样率值均为最小采样率的整数倍[11]。由于本采集系统中模拟量和开关量总采样率为305 kHz，A/D按照320 kHz的采样率进行采样，因此在编帧时需要填补空采点。将帧结构写入ROM表中，通过读取ROM即可进行通道选择。为了数据提取和校验，在帧结构中添加帧标志（EB 90）和帧计数（ZhenH，ZhenL），Null为空采点。设计的模拟量和开关量的帧结构如表1所示。

3.3 动态平衡数据编帧方法

根据系统设计要求，部分模拟量和两路图像数据需进行无线备份，数据以4 Mbit/s的固定速率传给无线设备。为了区分不同的数据类型，每包数据可采用不同的帧标志和帧计数来进行编帧，本设计中无线备份数据一帧长度为2 048 B。无线备份数据每包加上帧标志和帧计数后实际产生的数据量为3 980 kbit/s，但与4 Mbit/s的带宽传输速率仍不匹配。另外由于图像压缩数据的速率在不断变化，因此产生的数据速率也在不断变化。为了以固定速率进行传输，必须对数据帧填充无效数[12]。经过分析验证，可以通过对不同速率的数据按照速率比进行带宽分配，各类型数据在每一帧数据包中占用固定帧长，数据不够时则填充无效数“00”，然后在各类型数据包后加入有效数长度值，数据解包时直接提取各包中的有效数据，这样可以实现数据的可靠传输[13]。无线备份大帧数据组成如图7所示。

其中图像1数据包在一大帧数据中占601 B，从第1 B到第599 B为图像数据1的数据内容，第600 B及第601 B存放本包图像数据1的有效数据长度，其最大长度为599 B，实际长度≤599 B。图像数据包见图8。

当Lcount=599时，有效数据长度为599 B；当Lcount<599时，有效数据长度为Lcount字节，无效数据长度为599-Lcount，无效数据填充字节固定为“00”，存放在数据包末尾。图像2数据包存放位置在图像1之后，其数据组成结构与图像1完全相同。模拟量数据包与图像数据结构类似，数据包存放位置在图像数据2之后，在一大帧数据中占846 B，数据包结构组成如图9所示。

当Lcount=844时，有效数据长度为844 B；当Lcount<844时，有效数据长度为Lcount字节，无效数据长度为844-Lcount，无效数据填充字节固定为“00”，无效数据存放在数据包末尾。此方法按速率比分配各数据包的长度[14]，在每帧数据中模拟量和两路图像数据所占长度固定，但传输的有效数据长度并不固定，当未写满固定长度时，就用无效数据“00”进行填补，每个数据包后加入有效数据的长度计数，这样在图像压缩数据速率不断发生变化时，就可实现无线备份数据动态平衡传输。

4 数据回收及其验证

通过对存储器回收读数后部分数据如图10所示，其中帧标x3333表示有效数据类型为模拟量和开关量，x6666，x9999分别为两路图像数据的数据帧标志。

通过观察混合数据的帧头是否对齐、帧计数是否连续来判断数据回读是否正常。图11为验证模拟量数据和开关量的编帧格式（空采点为开关量数据），易知此编帧方式能实现数据的均匀采样，且数据准确无丢数误码现象。

对于无线备份数据测试，数据采用动态平衡编帧，每个数据包长度固定，图12中灰色区域为填充的无效数“00”，包尾为有效数据的长度计数。

系统在经过高低温和振动等试验的重复测试后，通过上位机进行数据分析，未发现数据出现任何异常，满足数据完整及可靠性设计指标要求[15]。

5 结 语

本文首先對采集接口电路增加了运放补偿电路，分析了传统模/数混合存储的弊端后，提出新的混合存储方法，并采用动态平衡的编帧方式解决了传输速率匹配的问题。经过各种实验测试后，该系统采用的编帧方法数据可靠性得到了保障，对一些需要模/数混合编帧的采集系统有一定的参考意义。

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