基于FPGA邏輯器件實(shí)現(xiàn)便攜式激光測(cè)距機(jī)電路檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

（來源：微計(jì)算機(jī)信息，作者：曹海源，張 璽，孫 斌，王淑云）

1、引言

針對(duì)部隊(duì)各類激光測(cè)距機(jī)的維修保障，我所研制出了一套便攜式激光測(cè)距機(jī)電路檢測(cè)儀，能實(shí)現(xiàn)對(duì) 85手持式、 88式、88對(duì)海式等五類激光測(cè)距機(jī)電路系統(tǒng)的快速檢測(cè)和維修指導(dǎo)，極大地提高了維修效率。由于要完成對(duì)光信號(hào)的接收和處理，測(cè)距機(jī)的電路系統(tǒng)涉及到許多窄脈寬信號(hào)，而且具有嚴(yán)格的信號(hào)時(shí)序。其中的 AGC信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)等脈寬均只有幾十個(gè) uS，主波和回波信號(hào)的脈寬均只有 1～2uS，信號(hào)時(shí)間間隔精確到 nS級(jí)，為信號(hào)檢測(cè)增加了難度；同時(shí)，電路系統(tǒng)的控制信號(hào)繁多，各類裝備的接口各異，這些都為檢修儀的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，僅采用傳統(tǒng)的單片機(jī)和常規(guī) IC難以實(shí)現(xiàn)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，CPLD和 FPGA等可編程邏輯器件在結(jié)構(gòu)、工藝、集成度、功能、速度和靈活性等方面都有了很大的改進(jìn)和提高，從而為高效率、高質(zhì)量、靈活地設(shè)計(jì)嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)提供了可能?？删幊踢壿嬈骷募用芄δ芤彩?a target="_blank">產(chǎn)品開發(fā)者的權(quán)利得到保障。因此，本文基于FPGA邏輯器件設(shè)計(jì)了激光測(cè)距機(jī)的電路檢測(cè)系統(tǒng)。

2、檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成 脈沖信號(hào)

通信MCU 數(shù)據(jù)采集處理

如圖 1所示，檢測(cè)系統(tǒng)由 MCU數(shù)據(jù)處理、 FPGA及其配置器件、被測(cè)信號(hào)調(diào)理、激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)適配、液晶顯示等功能模塊組成。其工作原理是： MCU根據(jù)用戶操作向 FPGA發(fā)送測(cè)試相應(yīng)命令， FPGA模塊產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，為被測(cè)電路提供工作時(shí)序，采集電路信號(hào)測(cè)量其特征參量，并將測(cè)試結(jié)果傳送給 MCU，MCU處理測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行故障分析判斷，并在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示測(cè)試波形和數(shù)據(jù)信息?？梢姡?FPGA是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，整合了與 MCU的通信、測(cè)試命令的解釋及決策、測(cè)試激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生和輸入信號(hào)檢測(cè)等功能。

通過對(duì)檢測(cè)對(duì)象中所有被測(cè)信號(hào)的分析，根據(jù)測(cè)試功能、處理速度和芯片容量的需求，本檢測(cè)系統(tǒng)中FPGA芯片選用 ALTERA公司Cyclone系列的EP1C3T144。該器件采用 0.13um工藝制造、TPFQ封裝，擁有104個(gè)I/O口和2910個(gè)邏輯單元，可直接由外部晶振提供 100MHz的時(shí)鐘輸入，也可經(jīng)片內(nèi) PLL倍頻，工作在更高的頻率。采用 Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn) FPGA各功能模塊，然后通過 EDA開發(fā)平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，最后對(duì) FPGA芯片進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。FPGA的配置采用了專用配置芯片 EPCS1，用 ByteBlaster II對(duì)其進(jìn)行下載編程。

3、 FPGA功能模塊劃分及實(shí)現(xiàn)

在 FPGA的功能實(shí)現(xiàn)上，首先構(gòu)建整體方案，然后劃分功能模塊，再針對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行編程、波形仿真，最后進(jìn)行整體功能的仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。根據(jù)上節(jié)分析，可將 FPGA的作用分成 SPI通信接口、命令解釋與決策、時(shí)鐘分頻、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生、電路信號(hào)測(cè)試等功能模塊，如圖 2所示。

3.1 SPI通信接口的實(shí)現(xiàn)

SPI接口是一個(gè)同步、全雙工串行接口，最大數(shù)據(jù)位速率為時(shí)鐘速率的1/8，只要遵循同一時(shí)刻只有一個(gè)主機(jī)和從機(jī)通信的原則，在同一條總線上可以有多個(gè)主機(jī)和從機(jī)。SPI口因接口簡(jiǎn)潔擴(kuò)展方便等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于串行存儲(chǔ)器（如DataFlash、3線 E 2PROM）、串行外設(shè)（如ADC、DAC、LCD控制器、CAN控制器）和外部協(xié)處理器中。

在第三方軟件 Altera SOPC Builder中可直接定制 SPI接口的 IP核，在本系統(tǒng)中采用 Verilog HDL來描述實(shí)現(xiàn)。 在設(shè)計(jì)中，MCU作為 SPI通信的主機(jī)，F(xiàn)PGA的SPI接口作為從機(jī)。SPI口有四種不同的數(shù)據(jù)傳輸格式的時(shí)序，這里通過設(shè)置 SPCR寄存器選擇CPOL=0、CPHA=0模式，以下是其實(shí)現(xiàn)代碼：

always @（posedge sck or posedge cs）

begin:chy

integer i;

if（cs） begin data=0;i=0;miso=1”b’Z; end

else begin

if（sck）

begin

data= data《《1;

data= data+mosi;

miso=（send_data》》（7-i））& 8‘h01;

i=i+1;

if（i==8） begin

rev_byte= data;

end end end end

3.2時(shí)鐘分頻的實(shí)現(xiàn)

Verilog HDL所描述的所有組合邏輯或時(shí)序邏輯電路的功能都是在各自輸入時(shí)鐘的節(jié)拍下工作的，而對(duì)于不同的功能模塊，因其電路精度要求不同對(duì)輸入時(shí)鐘的要求也不同，時(shí)鐘頻率越低，對(duì) FPGA綜合、布局布線的要求也越低，所設(shè)計(jì)出的電路也越穩(wěn)定。在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)時(shí)鐘由外部 100MHz晶振提供，系統(tǒng)內(nèi)部模塊要用到的時(shí)鐘有 100MHz、1MHz、 1KHz、10Hz和 1Hz五種，由計(jì)數(shù)器分頻實(shí)現(xiàn)，限于篇幅不詳述。

3.3命令解釋與決策的實(shí)現(xiàn) FPGA要完成與 MCU的數(shù)據(jù)交換，又要指揮各測(cè)試模塊對(duì)指定通道信號(hào)的特定參量的測(cè)試，還要執(zhí)行成百上千組時(shí)序信號(hào)激勵(lì)和開關(guān)量信號(hào)激勵(lì)，任務(wù)錯(cuò)綜復(fù)雜，需要一個(gè)對(duì)命令的解釋和決策執(zhí)行機(jī)制。在具體實(shí)現(xiàn)上，首先對(duì) MCU的命令號(hào)進(jìn)行區(qū)間劃分，決策模塊收到從 SPI接口模塊的命令后，判斷命令的類別，分別針對(duì)握手聯(lián)絡(luò)命令、復(fù)位命令、測(cè)試命令（包括通道號(hào)、測(cè)試指標(biāo)、時(shí)鐘輸入的選擇）、激勵(lì)發(fā)生命令（包括通道號(hào)、時(shí)序信息）、發(fā)送測(cè)試結(jié)果命令（通過 SPI接口將測(cè)試結(jié)果發(fā)送給MCU）等去觸發(fā)相應(yīng) FPGA內(nèi)部模塊動(dòng)作。

3.4信號(hào)測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

信號(hào)測(cè)試功能包括對(duì)輸入信號(hào)的脈寬測(cè)試、周期測(cè)試、特殊類型信號(hào)的測(cè)試等內(nèi)容，限于篇幅，下面對(duì)比較典型的脈寬測(cè)試進(jìn)行闡述。例如對(duì)于負(fù)脈沖信號(hào)，測(cè)試其脈寬即是測(cè)量其在某時(shí)段低電平的維持時(shí)間，可以通過計(jì)算時(shí)標(biāo)信號(hào)的個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。設(shè)時(shí)標(biāo)信號(hào)周期為Ts，時(shí)標(biāo)個(gè)數(shù)為N，則脈寬為W=Ts*N，其主要部分是計(jì)數(shù)功能，并將得到的數(shù)予以鎖存。計(jì)數(shù)模塊與鎖存模塊由控制信號(hào)發(fā)生模塊控制，其邏輯框圖如圖 3所示。

其中 CLKX為被測(cè)脈沖，CLK為時(shí)標(biāo)信號(hào)，RST為系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，WIDTH為脈寬計(jì)算結(jié)果。圖中有三個(gè)控制信號(hào)：計(jì)數(shù)允許信號(hào)CNT_EN、計(jì)數(shù)清零信號(hào) CNT_CLR和鎖存信號(hào)LOAD，分別控制計(jì)數(shù)模塊和鎖存模塊。

在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，由于外界干擾的影響，在被測(cè)信號(hào)出現(xiàn)正常脈沖前會(huì)出現(xiàn)多個(gè)窄帶

干擾脈沖，這個(gè)脈沖的短暫低電平會(huì)讓計(jì)數(shù)模塊產(chǎn)生誤動(dòng)作，從而得出錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果。本文采取前級(jí)窄帶脈沖過濾的方法，有效地消除了外界的干擾。其具體做法是外加一個(gè)計(jì)數(shù)模塊判斷輸入信號(hào)的低電平時(shí)間是否超過一定門限，超過則觸發(fā)其后的控制信號(hào)發(fā)生模塊動(dòng)作，否則不觸發(fā)。 值得注意的是在后面的計(jì)數(shù)模塊里要加上前級(jí)的門限值。

3.5激勵(lì)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

檢測(cè)系統(tǒng)所要產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)包括時(shí)序信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)，時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生相對(duì)復(fù)雜，其實(shí)現(xiàn)機(jī)理如圖 4所示。其中，START是啟動(dòng)信號(hào)，控制時(shí)序產(chǎn)生模塊的啟動(dòng)與停止；EX_SYNC是外同步信號(hào)，在某些場(chǎng)合下，時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生需要與外界信號(hào)的同步，此信號(hào)用于控制信號(hào)發(fā)生的時(shí)基；計(jì)數(shù)模塊負(fù)責(zé)在 CNT_EN和 CNT_CLR等控制信號(hào)下計(jì)數(shù)，實(shí)時(shí)觸發(fā)相應(yīng)的時(shí)序序列輸出；LOCK信號(hào)用于鎖定末態(tài)時(shí)序序列的狀態(tài)。

4、設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題及解決辦法

4.1電源干擾

檢測(cè)電路，尤其是高精度測(cè)頻、測(cè)脈寬的 FPGA電路，電源部分性能起著舉足輕重的作用。電源一般由 220V交流經(jīng)變壓、整流后獲得，為防止引入交變干擾，需要對(duì)其進(jìn)行加去耦電容和屏蔽處理。由于在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)電源、地線的考慮不周而引起的干擾也會(huì)使 FPGA測(cè)試性能的下降，甚至影響到功能的實(shí)現(xiàn)。為此在設(shè)計(jì)整機(jī)印制板時(shí)要盡量增加電源和地線的寬度，最好是地線比電源線寬。它們的寬度關(guān)系是：地線最寬，電源線次之，信號(hào)線最窄。在每個(gè)集成電路電源處加一個(gè)去耦電容，每個(gè)電解電容邊上都要加一個(gè)小的高頻旁路電容。另外本系統(tǒng)在檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于在測(cè)試中整機(jī)電流的突然增大，會(huì)使 FPGA復(fù)位芯片的電壓產(chǎn)生抖動(dòng)，進(jìn)而引起 FPGA的復(fù)位動(dòng)作，最后采取在 FPGA的 3.3V端并接一個(gè) 470uF的電容的方法解決了此問題。

4.2數(shù)模互擾

由于整個(gè)系統(tǒng)是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的，在布線時(shí)需要考慮它們之間互相干擾的問題，特別是地線上的噪聲干擾。數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)，對(duì)信號(hào)線來說，高頻的信號(hào)線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件；對(duì)地線來說，整個(gè) PCB對(duì)外界只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)，所以必須在 PCB內(nèi)部處理數(shù)模共地的問題。具體做法是在板內(nèi)數(shù)字地和模擬地分開，只在 PCB與外界連接的接口處（如插頭等），數(shù)字地與模擬地通過一點(diǎn)來短接。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文采用 FPGA芯片實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)系統(tǒng)中的測(cè)試命令解釋及決策、測(cè)試激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生、輸入信號(hào)特征參量的測(cè)量等多個(gè)功能模塊，并通過 SPI接口與 MCU配合，完成對(duì)各類電路板的檢測(cè)功能。分析了在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)的干擾，并采用了有效的解決方法。實(shí)驗(yàn)證明，采用 FPGA的設(shè)計(jì)方案解決了測(cè)試中的難點(diǎn)問題，達(dá)到了測(cè)試精度要求，并具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。目前，此項(xiàng)目產(chǎn)品已在多家單位推廣使用。

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