一种基于FPGA 和STM32 双核的波形识别及参数测量装置设计

2023-12-08翁芸李伟

电子制作 2023年22期

翁芸，李伟

（宁波职业技术学院，浙江宁波，315800）

0 引言

在仪器仪表中，经常需要测量信号的频率、幅值、失真度、占空比等参数，并根据这些参数来分辨信号的种类，测量的精度和识别的准确率是衡量仪器仪表性能高低的重要指标。

用单片机作为测量核心是目前的主流，其存在设计简单、成本低廉等优点，但因受单片机硬件资源的限制，产品的性能很难提升，也不利于升级换代。而随着芯片制造工艺的不断发展及市场需求量不断增加，FPGA 芯片的性能得到飞速的提升，价格也趋于稳定。FPGA 芯片由于其具有高度灵活、可扩展的特点，能够以更低的成本实现产品性能的提升和升级，受到市场的青睐。本文以FPGA 和STM32F4单片机为核心，设计一款波形识别及参数测量装置，测试该装置的性能并验证方案的可行性，为以后的类似产品研发打下基础。

1 系统方案设计

本装置主要组成为直流供电模块、信号调理电路、A/D 转换模块、过零比较电路、FPGA 信号采样及处理模块、STM32 主控模块、显示电路，各部分连接关系如图1 所示。

图1 系统结构框图

信号调理电路采用集成程控放大器，具备放大和衰减的功能，无须多路模拟开关，系统根据预测交流信号的幅值大小设定放大倍数，被测信号经过两级程控放大和一级同相放大后，波形已达到最佳测量幅值范围，再送至A/D 模块进行模数转换，可提高测量精度。

高速A/D 转换模块则将调理好后的交流信号转变成数字信号送至FPGA，为有效消除共模干扰信号，本设计采用差模转换方式。

FPGA 模块采用cyclone IV 系列EP4CE10F17C8 芯片，控制高速ADC 模块进行数据采集，通过高速并行口，配合FPGA内部的高速RAM，可轻松实现大于20MHz的采样速率，该模块除高速采集A/D 信号外，还要精确测量被测信号的频率，测量信号是通过过零比较电路得到。FPGA 将采集到的A/D 值和频率值通过FMC 接口传送给STM32 单片机。

STM32 主控模块采用STM32F429 单片机，根据按键值发送频率测量和数据采样启停控制信号，并利用自身强大的计算能力对采样到的数据进行RMS、FFT 等多种运算，得到被测信号的峰峰值、有效值、占空比、失真度等参数，并根据以上参数判断出波形类别，最终将波形及参数显示在液晶显示屏上。

显示模块选用电容串口液晶显示屏，串口的液晶显示屏功耗比较低，节能环保，只需要触摸，而不需要压力来产生信号，使用方法灵活、使用寿命长、显示高彩色保真、高亮、高对比度，其适用范围广，与传统显示屏相比，画面效果更佳。

2 硬件电路设计

■2.1 信号放大电路设计

为满足50mV ≤VPP ≤10V 宽幅值信号采样需求，信号放大部分采用AD603 集成程控放大器。程控放大电路主要由三个部分构成，分别是第一级调偏电路及AD603 程控放大电路、第二级调偏电路及AD603 程控放大电路、末级放大电路。为了使通带内输出平坦，在第一级和第二级之间加入低通滤波。图2 为AD603 程控放大电路原理图。

图2 AD603程控放大电路原理图

两级AD603 的增益控制引脚直接短接，实现增益的同步设置；末级运放可以根据实际需要来设计放大电路增益，放大电路类型是同相输入比例放大，由R6 和R5 的比值来确定增益值，本模块默认放大2 倍。电路增益通过STM32 内部D/A 控制，其输出电压经电平平移后生成VG信号，输出增益与VG 的关系为G(db)=80VG+20，VG 取值±500mV。

■2.2 A/D 转换模块电路设计

A/D 转换模块包括信号调理与A/D 转换电路两个部分，A/D 转换采用TI 公司的高速12bit、最大采样速率65MSPS的芯片AD9226。其硬件结构框图如图3 所示，包括信号输入接口、衰减电路、信号调理电路和高速A/D 芯片等。

图3 A/D 转换模块结构框图

信号输入电压范围为-5V～+5V，即峰峰值≤10Vpp。电压调理电路转换公式为：VAD=-(1/5)VIN+2。当输入信号VIN=+5V的时候，输入到A/D 的信号VAD=1V；当输入信号VIN=0V的时候，输入到A/D 的信号VAD=2V；当输入信号VIN=-5V的时候，输入到A/D的信号VAD=3V；模块转换后的数字量D 和输入VIN之间的关系为：D=2048 -(1/5)VIN× 2048。A/D转换模块原理图如图4所示。

图4 A/D 转换模块原理图

■2.3 FPGA 模块顶层设计

FPGA 模块是本项目的核心，需要完成频率测量和波形采样两大任务，其顶层设计如图5 所示，共有5个模块组成，分别是PLL 模块、频率测量模块、ADC 时钟控制模块、AD9226控制模块和FMC 控制模块。

图5 FPGA 顶层设计图

PLL 锁相环模块用于生成高频时钟信号，通过调用IP核完成，输入时钟50M，输出时钟信号为150M，供其他模块电路使用。

频率测量模块（clock_test）采用等精度频率测量法，该模块受STM32 控制，当clk_test_sig 为高电平时开始测量，测得的值通过FMC 模块传送至单片机，为保证A/D 采样时序与被测信号同步，该模块还为ADC 时钟控制模块提供被测信号的同步时钟信号（clk_edge_out）。

ADC 时钟控制模块（adc_clock_con）用于产生被测信号的128 倍频时钟信号，该时钟信号需与被测信号的过零点同步，以确保每次采样信号的初始相位一致，便于后期数据处理及计算，频率控制值是STM32 通过FMC 接口传送给FPGA。倍频后的时钟信号(adc_clk)直接送至A/D 转换电路，作为该模块的驱动时钟信号。

AD9226 控制模块（HI_Speed_AD9226）用于将采集到的A/D 值保存到FPGA 内部高速RAM 中，需根据ADC 时钟控制模块提供的信号（adc_test_flag）同步采集，一次测量数据采集结束后，生成数据有效信号，通知STM32 读取数据。

FMC(fmc_control)控制模块用于FPGA 和STM32 的高速通信，内部设有5 个数据读写通道和一个1024*16 高速RAM，5 个数据读写通道可以双向传递控制命令和数据，而RAM 只用于单向数据传送，FPGA 负责写入，STM32 只能将数据读出。

2.3.1 频率测量模块设计

频率测量常用的方法有直接测频法、直接测周法和等精度测量法。因被测信号的频率范围较宽（1Hz～50kHz），为保证测量精度，本设计采用等精度测量法，原理框图如图6 所示。

图6 等精度测频原理图

频率测量主要由FPGA 完成，测量启动信号即预置门控信号由STM32 发送给FPGA，只需发送一个短脉冲即可，FPGA 收到信号后首先检测被测信号的上升沿，检测到以后立刻开启门控定时器，生成0.5 秒实际门控信号，并同时开启SCNT 和XCNT 两个计数器，分别对标准信号fs 和被测信号fx 进行计数，当0.5 秒门控时间到了以后，FPGA 再次检测被测信号的上升沿，检测到以后立刻停止SCNT 和XCNT 两个计数器并将数据锁存在Ns 和Nx 寄存器中，同时生成频率测量数据有效信号，通知STM32 读取数据并进行计算，被测频率计算公式为：fx=(Nx/Ns)×fs。

2.3.2 信号采集模块设计

AD9226 单路高速A/D 模块是在芯片时钟的上升沿进行数据的采集，根据设计要求，对于不同频率的被测信号，都要采集128 个点，所以采样频率始终是被测频率的128 倍，这个频率控制值由STM32 根据被测信号的频率计算获得，通过FMC 接口传送给FPGA，然后下达采样开始命令。

FPGA 检测到采样开始命令后，把过零比较电路生成的方波信号的上升沿作为同步信号，控制A/D 转换模块按照被测信号频率的128 倍频速率连续采样128 个点（为消除倍频系数误差产生的影响，实际采样192 个点），并把采样数据按顺序存储到FPGA 内部RAM 中。采样结束后，FPGA 通过FMC 双向通道通知STM32 读取数据，STM32检测到信号后，按顺序读取FPGA 内部RAM 中的数据并存放至自己的内存中，以供后面的参数计算使用。FPGA 信号采集时序图如图7 所示。

图7 FPGA 信号采集时序图

3 软件设计

■3.1 主流程图

STM32 单片机主要完成按键检测、测量命令发送、数据计算、波形识别及LCD 屏显示等功能，其流程图如图8 所示。

图8 STM32 主流程图

■3.2 波形识别及参数测量算法

波形识别最常用方法为波峰系数识别法（峰值与有效值的比值），可以分辨出矩形波、正弦波和三角波，但光靠波峰系数一个参数还是无法分辨更多的波形，比例锯齿波、阶梯波等，本设计采用波峰系数、失真度、电压跳变次数三个参数综合分析法，可以有效分辨以上所有波形。

波形识别前先要对采样数据进行必要的处理和计算，根据上面同步信号可知，过零信号为采样起始点，所以两个相邻上穿（或下穿）零轴之间的数据即为一个完整周期数据，把这些数据提取出来用于各参数计算。需要注意的是，正常的话一个完整周期应该是128 个点，如果不是，说明倍频值计算存在误差，需要对系统主时钟或采样点数进行调整，不然计算参数时会产生较大误差。另外，之所以取128 个点，一是为了提高测量精度，二是为满足STM32 单片机FFT 运算要求。如果要测量更高的频率信号，可以适当降低采样点数，但必须是2 的n 次方。

所有参数的计算都由STM32 单片机完成，F4 系列单片机具有基于ARM Cortex M4 的高性能32 位微控制器，并且采用DSP 和FPU 指令，可以高效完成有效值和FFT 运算，计算速度和精度都达到设计要求，根据实际测试，各参数值与理论值非常接近，完全达到精确辨别波形要求。各波形波峰系数、失真度和电压跳变次数的理论参数值与实测参数值如表1 所示。