李　辉, 杨　挺, 王　晖

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471000)



基于FPGA的通用传感器信号处理系统设计

李辉, 杨挺, 王晖

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471000)

摘要:分析传感器信号处理系统在空空导弹中所起的重要作用，设计了一种新型通用传感器信号处理系统CGQSPS2。该系统将多种类型传感器的驱动与信号调理、采集、数字化编码集成在一块电路板上。与之前设计相比，在降低功耗、节约弹上空间和成本的同时，提高了传感器信号采集精度、抗干扰能力和系统可靠性。该系统成功应用于空空导弹中，实现了传感器信号数字化传输，其功能得到验证。

关键词：传感器； 信号处理； 采集； 现场可编程门阵列

0引言

空空导弹在飞行过程中经历振动、冲击、高低温、噪声等多种环境条件，有些环境条件极其恶劣，对空空导弹总体和各分系统都是严峻的考验。在空空导弹的设计过程中，通过高精度的传感器和配套的传感器信号处理系统准确地测量出导弹各指定部位的温度、振动噪声等参数对于改进导弹性能极其重要，它是提升导弹工作可靠性的重要依据[1～3]。

原有的CGQSPS1传感器信号处理系统(简称CGQSPS1系统)由多个单元级的电路板组成，即每一路传感器信号都搭配一个小的单元级处理电路，每一个单元级电路都具有独立的结构，自成系统。信号采集部分由弹上采编器的通用8位A/D转换器来完成数字化。它具有以下不足：1)每一个单元级电路都需要单独的供电线路；2)弹上采编器只有一个8位的A/D转换器用于模拟信号数字化，采集的传感器信号精度较低；3) 弹体内传输的是纯模拟信号，易受弹内和空间电磁干扰的影响。

针对以上问题，本文设计了一种新型的CGQSPS2传感器信号处理系统(简称CGQSPS2系统)，该系统将多种类型多个通道传感器的电源驱动与信号调理、采集、数字化编码集成在一块电路板上，与之前设计相比，具有以下优点：1)降低了系统功耗；2)节约了弹上空间和成本；3)通过采用14位的A/D转换器和模块化的电路设计，提高了传感器信号的采集精度；4)利用现场可编程门阵列(FPGA)完成多通道信号的采集、量化、编码和数字化传输，增强了系统抗空间电磁干扰能力；5)具有良好的可扩展性，目前具备32路传感器信号处理能力，通过增加调理单元个数，可方便实现可以实现64路各类型传感器信号的高精度采集和数字化传输。

1系统的基本组成

CGQSPS2系统以大规模可编程逻辑器件和高速A/D转换器为核心，对调理后的振动(或冲击)、温度、噪声等类型的传感器信号进行采集、量化，并按照预先设计的帧格式编排成有序的串行数据流通过低压差分信号(LVDS)接口芯片输出[4，5]。

CGQSPS2系统基本组成框图见图1。

图1　CGQSPS2系统基本组成框图Fig 1　Basic components block diagram of CGQSPS2 system

高精度的振动(或冲击)传感器、温度传感器、噪声传感器等多类型传感器可靠安装在导弹各舱段(如导引头、舵机、电源等)的指定位置。电源转换电路提供系统所需的多种电源类型，传感器通过振动、温度等调理单元供电并转换为电压信号输出，运放调理电路将信号调理到A/D转换器所允许接收的信号范围，A/D转换器和多路选择器在FPGA的控制下依次选通多路传感器信号，通过预先设计的帧格式和加密方式将多路传感器信号编码输出给弹上采编器，输出接口选择LVDS接口芯片，具有传输速度快、抗干扰能力强等优点[6～8]。

2关键硬件选型与设计

2.1大规模可编程逻辑器件的选型与设计

大规模可编程逻辑器件FPGA是CGQSPS2系统的核心。FPGA采用Altera公司CYCLONE III系列的EP3C120F484I7，它拥有119088个逻辑单元，3.98 Mb的RAM，4个锁相环，283个可用I/O管脚，封装形式为484—Pin FBGA。

CGQSPS2系统采用VHDL硬件描述语言进行FPGA设计，开发工具选择Quartus II。FPGA逻辑设计架构图见图2。复位逻辑单元产生统一的复位信号，完成全部逻辑单元的全局复位。时钟管理逻辑单元通过锁相环产生满足相位、频率、占空比要求的各路时钟信号。A/D时钟输出逻辑单元输出满足采样速率要求的A/D转换器的输入时钟。FPGA在时序逻辑控制下依次输出多路选择器的地址，A/D数据读取逻辑单元读取A/D转换器转换的并行数据。数据编码逻辑单元按照设计的帧格式对数据进行编码，数据加密逻辑单元完成数据加密，最后通过LVDS数据发送单元将满足预定协议要求的LVDS时钟和LVDS数据发送给弹上采编器。

图2　FPGA逻辑设计架构图Fig 2　Architecture of FPGA logic design

A/D转换器采样间隔设计要软硬件互相结合，因为前端的运放调理电路、多路开关选择电路、幅值和偏置转换电路都存在信号的时延，包括运放的稳定时间，多路选择器的开启关闭时间等；另外硬件电路上开关切换带来负载的变化同样会带来信号的抖动。所以，在硬件上需要对电路的时延进行仿真和实际标定，确定信号在满足精度要求下的稳定时间。FPGA逻辑设计上需综合考虑以上因素。

2.2A/D转换器选型与设计

CGQSPS2系统中的A/D转换器采用AD公司的14 bit A/D转换器AD9240AS，它是一种高速(最高10MSPS)、低功耗(285 mW)、单端+5V供电的A/D转换器，积分非线性误差为2.5 LSB，差分非线性误差为0.36 LSB。

AD9240AS需要三路电源供电：模拟电源、数字电源以及数字输出驱动电源，其中数字输出驱动电源决定输出数字信号高电平幅度。为满足FPGA输入信号电平要求，本设计中数字输出驱动电源采用3.3 V供电。

AD9240AS可以采用内部参考电压，也可以采用外部输入参考电压，其内部参考电压温度稳定度为26×10-6/℃,可以满足使用要求，不考虑采用外部参考电压。AD9240AS的输入信号幅度与其参考电压有关,如式(1)所示

-VREF

(1)

当SENSE与VREF相联时，AD9240AS内部参考电压为1V，当SENSE与VREFCOM相联时，其内部参考电压为2.5 V,本设计内部参考电压取2.5 V。AD9240AS参考电压配置表见表1。

表1　参考电压配置表

AD9240AS信号的输入范围为0～+5 V，所以,输入信号需要先调整到0～+5 V。单端输入直流转换电路图见图3。

图3　单端输入直流转换电路图Fig 3　Single-ended input with DC conversion circuit

AD9240AS的转换速率由CLK时钟决定，最高输入时钟频率为10 MHz。AD9240AS输出时序图见图4。每个输入时钟上升沿处采集的模拟信号在后延迟三个周期后输出。

图4　AD9240AS转换时序图Fig 4　Timing diagram of AD9240AS conversion

2.3LVDS接口

LVDS是一种低振幅差分信号技术，它使用幅度非常低的信号(约350 mV) ，通过一对差分PCB走线或平衡电缆传输数据;它能以高达数百Mbps 的速度传送串行数据。在两条平行的差分信号线上，电流与电压振幅相反，噪声信号同时耦合到两条线上，接收端只关心两信号的差值，因此噪声被抑制掉。低电压摆幅提高了数据传输率和降低功耗。由于LVDS驱动器是恒流源模式，功耗几乎不会随频率的增加而增大，其单路功耗非常低。LVDS差分线对之间产生的磁场彼此抵消，电场相互耦合。作为差分传输系统，会比CMOS或TTL等信号产生更小的EMI，在高速率和强抗干扰方面具有独特的优势[9]。多差分信号接口快速对比表见表2。

表2　多差分信号输出接口快速对比表

3主要系统指标对比

CGQSPS2系统与原有CGQSPS1系统主要性能指标对比见表3。

CGQSPS2系统和CGQSPS1系统相比具有以下优势：

1)消耗电流由500 mA降为300 mA，节约能耗5.4 W；

2)印制板总占用面积降至CGQSPS1系统的1/3；

3)A/D采集位数由8位提升到14位，数据输出精度提升至±1 %；

4)数据传输速率由1 Mbps提升至10 Mbps；

5)成本由4万/套降至3万/套。

表3　CGQSPS2系统与CGQSPS1系统主要系统指标对比表

综上所述，CGQSPS2系统在消耗电流、占用空间、采集精度、数据传输速率和成本等方面优势明显。

4结束语

基于FPGA的新型通用传感器信号处理系统突破之前的设计思路，该系统将多种类型传感器的驱动与信号调理、采集、数字化编码集成在一块电路板上。系统具有低能耗、低成本、高精度、高传输速率、良好的可扩展性等优势。目前该系统已成功应用于某型空空导弹传感器信号的高精度测量，提供了上百组温度、振动、冲击、噪声等多类型传感器测量数据，采集传输的传感器数据稳定可靠，为分析和提升空空导弹性能提供了重要依据。

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Design of universal sensor signal processing system based on FPGA

LI Hui, YANG Ting, WANG Hui

(China Airborne Missile Academy，Luoyang 471000，China)

Abstract:Significant function of sensor signal processing system in airborne missile is analyzed.A new type of sensor signal processing system CGQSPS2 is designed.The system integrates many functions in a circuit board such as driving and signal conditioning,acquisition and digitally encode of several kinds of sensors.Compared with previous design,it reduces power consumption, saves space and cost,at the same time,improves precision of sensor signal acquisition,capability of resisting disturbance and system reliability.The system is successfully used in airborne missile,realize digital transmission of sensor signal and its function is validated.

Key words:sensor； signal processing； acquisition； field programmable gate array(FPGA)

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0105—03

收稿日期：2015—07—24

中图分类号：TJ 760

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)03—0105—03

作者简介:

李辉(1983-)，男，河北冀州人，工程师，主要从事空空导弹遥测技术研究。