基于FPGA的多路传感信号采集系统设计

杨 栋，江 虹，罗 颖，但璐瑶

(1.西南科技大学，四川绵阳 621000；2.攀枝花学院，四川攀枝花 617000)

0 引言

随着无人机技术的成熟和发展，目前无人机已应用于特殊环境的数据采集，包括温度、湿度、气体浓度检测等方面[1]。由于高空环境的特殊性，无人机在特殊环境下的温度采集存在采集误差大、数据传输可靠性低、系统稳定性差等问题[2]，并且受到体积和质量等限制，采集设备必须满足体积小、质量轻等要求。

FPGA(现场可编程门阵列)具有多路数据并行处理的优势，并且器件稳定性高。因此，本文针对以上问题，设计以FPGA为主控芯片，配合多个功能模块共同协作，实现对多路数据并行采集以及对K型热电偶的冷端补偿[3]，并将采集数据组帧通过以太网接口模块传输至上位机，上位机再对数据进行波形重构。该系统具有设备体积小、高精度、高可靠等特点，可应用于特殊环境下的K型热电偶温度采集，例如无人机在高空中对激光打靶的测试。

1 采集系统整体设计

整体采集系统结构如图1所示，由前端信号调理模块、A/D转换模块、FPGA主控模块、数据存储模块、以太网传输模块以及上位机构成。

图1 系统框图

FPGA作为采集系统的主控模块，具有高稳定性和并行数据处理等优点[4]，其主要作用为：

(1)产生各模块驱动时钟。系统时钟由YS0321SR有源晶振产生，FPGA通过内核PLL锁相环分频输出各模块需求时钟。

(2)控制前端数据采集。16路传感信号由Δ-Σ型ADC进行增益放大、滤波、模数转换等操作，最后得到可供FPGA处理的数字信号。

(3)驱动存储、传输模块工作。将采集数据进行数字滤波、打包处理，以统一的数据包格式通过UDP协议发送给无人机。

2 系统功能模块

2.1 采集模块设计

由于数据采集系统具有多通道、高分辨率以及对热电偶冷端补偿等特点，为此选用ADS1248作为模数转换芯片，其具有24位的垂直分辨率，有8个模拟输入通道，内置可编程增益放大器(PGA)，可实现至多128倍增益放大。

ADS1248芯片有7根引脚和FPGA进行命令交互与数据传输，包括SPI通信引脚以及相关接口引脚，测试时需根据DRDY引脚的电平信号来判定数据是否转换完成。整体采样状态如图2所示，芯片起始于IDLE状态，经过1 μs延时后，发送RESET命令(06h)，确保上电后设备复位正常，接着对寄存器进行配置操作。MUX状态为通道选择，8个通道会被依次组合成4组差分输入通道，组合完成后在SYNC状态进行数据采集，当1组数据采集完成后DRDY引脚拉低，跳转到下一组通道再进行数据采集，数据在RDATA态被读出，需给足32个时钟周期的时间。

图2 ADC采集状态图

ADS1248芯片可设置采样率为20 SPS、40 SPS、80 SPS、160 SPS、320 SPS、640 SPS、1 KSPS、2 KSPS。由于采集系统包传输间隔为25 Hz，没有对应的采样率，因此需精确控制convert的时间点，方案设计为：选择合适的采样率(转换时间的4倍小于40 ms)，在SYNC状态时开始计数，当四通道数据转换完成后，状态锁定在SYNC状态，计数至25 Hz周期时再继续下一轮采样。

2.2 存储模块设计

在数据采集系统中，共有16路的传感信号(10路热电偶传感器信号、5路光耦传感器信号和1路温度补偿信号)，16路信号使用4个ADC进行采集。由1 KSPS采样率可得：1 h内产生的数据量为329.6 Mbit，因此选择Nor Flash型存储器W25Q512，其具有512 Mbit的存储容量，262 144个可编程页面，每个页面可以存储256字节数据，为了实现完整翻页问题，设计上行数据包格式为128字节，则2个包数据写满1页，避免了在同一页连续刷写的问题。

FLASH与FPGA之间采用SPI通信，主控器模块直接连接存储设备的控制信号线：CLK、DIN、DOUT和CS。FPGA通过控制信号线，实现对Flash的写数据操作和读数据操作，控制器框图如图3所示。

图3 Flash控制框图

在FPGA的开发设计中，主设备控制模块负责整理命令发向状态流程控制模块，并接收Flash读写地址等；状态流程控制模块对命令进行应答处理，并将数据信息发向数据读写控制模块；读写控制模块再根据读写时序与Flash芯片进行数据交互。数据缓存模块用于缓存写入或读出Flash的数据，其中写数据FIFO用于采集模块写入数据的缓存，读数据FIFO用于读出Flash的数据缓存[5]，实现对下一模块的稳定写入。Flash读写测试如图4所示，图4(a)表明CS片选信号拉低后，当检测到写Flash命令时，主设备控制模块发出写请求脉冲，并将数据写入Flash；图4(b)为Flash读数据验证，在检测到读Flash命令时，读写控制模块将Flash中数据读出。经对比写入与读出数据一致。

2.3 数据传输设计

在数据采集完成后，FPGA将所有数据按照标准以太网帧格式打包发送给W5500芯片的片上缓存Buffer，再由W5500通过UDP协议发送至上位机。单包数据包含8 Byte包头、80 Byte效应点阵数据、32 Byte状态数据、4 Byte时间码、2 Byte包计数码、2 Byte校验码。W5500的数据收发流程如图5所示。

(a)Flash写入数据

(b)Flash读出数据图4 Flash数据读写功能验证

图5 UDP数据收发流程

图5(a)为UDP协议的接收流程：FPGA读取中断寄存器Sn_IR的信息，若第3位拉高，表明接收到对方数据，则发送“RECV”命令。“接收读指针寄存器”Sn_RX_RD缓存了所要发送的数据量，SocketRxBuffer再根据接收读指针寄存器的内容发送对应的数据个数。

图5(b)为UDP协议的发送流程：FPGA从“发送写指针寄存器”Sn_TX_WR中获取所要发送的数据个数，在“SEND”命令发送后，检测中断寄存器Sn_IR第5位的信息，若该位拉高则表明数据发送完成。具体的包传输由第4节验证。

3 热电偶的冷端补偿

在无人机高空作业时，由于采集器中K型热电偶传感器冷端不为0 ℃，会造成两端电势差减小，使转换的温度值也产生误差，因此，需对热电偶作冷端补偿。

设计使用ADS1248模数芯片的三线式RTD(resistance temperature detector)应用电路作冷端补偿，分别由2个IDIC电流源实现。IDIC1电流源为RTD元件提供激励，IDIC2电流源具有相同的电流设置，通过在电阻上产生相等的电压降来消除导线电阻[6]。并且RTD两端的电压是在模数转换器引脚上差分测量的，因此导线电阻两端的电压会相互抵消，减小了测量误差。参考电平将RTD信号转换到模数转换器指定的共模输入范围内，再通过多路选择器选择双通道差分输入ADC进行转换，ADS1248的热电偶测量系统如图6所示。

图6 热电偶测量系统

考虑在FPGA内部作算法会消耗大量的逻辑资源，因此温度补偿交由上位机实现。计算时先由A/D转换模块测量出RTD的电压值：

V=2.5T/256/H

(1)

式中：V为电压，mV；T为转换的3字节十进制数；H为0x7fffff。

由于激励电流为1 mA，即冷端测量电阻值等于电压值。再根据电阻值得到冷端实际温度：

t=AR3+BR2+CR+D

(2)

式中：A=-2.667 1×10-5；B=0.009 3；C=1.497 4；

D=-216.29。

再将冷端温度转换为实际电压值：

(1)当t∈(-270 ℃，0 ℃)时：

(3)

(2)当t∈(0 ℃，1 370 ℃)时：

(4)

式中：a0、a1、a2、a3、Ci为冷端电压转换系数；t为冷端实际转换温度；E为冷端电压值。

最后利用K型热电偶采集电压值加上冷端电压值通过式(5)得出实际温度值。

T=b0+b1x+b2x2+…+bnxn

(5)

式中：T为所需的实际温度值；x为热电偶电压值加上冷端电压值；b0,…,bn为K型热电偶温度转换系数。

4 系统测试

首先对采集系统的数据传输可靠性作测试验证，其中wireshark抓包数据如图7所示。

由包传输间隔可以验证系统的采样率为25 Hz，单包数据量为128字节，其中包头为42 4a 00 14，后面为传感器采样数据以及包计数码等。

图7 wireshark抓包数据

采集系统上位机测试主要关注多通道间的转换误差、数据的转换精度以及冷端补偿后的实际温度[7]。本次实验信号源选择fluke 5522A产生25.5 mV的直流信号经由热电偶2通道采集。测试结果表明：冷端Pt100测量温度为16.93 ℃，K型热电偶未加冷端补偿温度为606.17 ℃，加入冷端补偿后温度为622.05 ℃，温度大于400 ℃时，测量误差在%1t以内，满足系统指标，测试结果如图8(a)所示。为验证系统对交流信号的采集可靠性，信号源输入10 mV、0.1 Hz交流信号，采集结果如图8(b)所示。

(a)直流信号输入

(b)交流信号输入图8 上位机界面

系统选取3个通道25 mV直流分量输入，采集结果如图9所示。整体数据落在25.02 mV与25.10 mV之间，ADC转换值为3个字节数据，经计算得出各通道间误差小于0.1%，数据转换误差小于0.4%。

图9 直流分量采集

5 结束语

针对无人机上行链路采集系统可靠性差、热电偶测量误差大等问题，本文以FPGA作为主控芯片，设计了多个功能模块对多路传感信号进行采集、存储、传输。模块之间通过FIFO实现多bit数据跨时钟域可靠传输，保证了系统的可靠性，并通过对K型热电偶的冷端作温度补偿，以此来减小测量误差。经测试，系统通道间误差以及冷端补偿误差均满足指标要求。本系统不仅可以应用于无人机在特殊环境下的温度数据采集，还可以应用于其他相关领域的数据采集中，具有一定的应用价值。