摘要：針對某些特殊的測試試驗(yàn)要求測試系統(tǒng)高性能、微體積、低功耗，在存儲測試?yán)碚摶A(chǔ)上，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)存儲測試系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)。介紹了該系統(tǒng)的組成，對控制模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。針對測試環(huán)境的多樣性設(shè)計(jì)了采樣策略，能對頻率多變的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，證實(shí)了所設(shè)計(jì)的采樣策略對多種變化規(guī)律的信號采集具有通用性，擴(kuò)展了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
　　
　　引言
　　
　　動(dòng)態(tài)測試技術(shù)是以捕捉和處理各種動(dòng)態(tài)信息為目的的一門綜合技術(shù)，它在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中地位十分重要，在航天航空、儀器儀表、交通運(yùn)輸、軍事、醫(yī)療等研究中均應(yīng)用廣泛。常用的測試方法有遙測與存儲測試，與無線電遙測儀相比，存儲測試儀結(jié)構(gòu)更為簡單、無需發(fā)送天線、體積小、功耗低。存儲測試技術(shù)是對被測對象沒有影響或影響在允許范圍的條件下，在被測體內(nèi)放置微型數(shù)據(jù)采集存儲測試儀，現(xiàn)場實(shí)時(shí)完成信號的快速采集和存儲，事后回收，由計(jì)算機(jī)處理和再現(xiàn)測試信息同時(shí)保證測試儀器完好的一種動(dòng)態(tài)測試技術(shù)。由于存儲測試對測試結(jié)果影響較小，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，已經(jīng)漸漸成為測試動(dòng)態(tài)參數(shù)的重要手段。
　　
　　1、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
　　
　　測試信號通過傳感器輸入測試電路中進(jìn)行處理并存儲，隨后通過接口電路輸入到計(jì)算機(jī)中。測試參數(shù)限于一定范圍，測試通道數(shù)為4通道，zui大采樣頻率為1MHz，zui大存儲容量為512kW。本設(shè)計(jì)選用Altera公司推出的CycloneⅡ系列的EP2C5T144I8芯片。該芯片具有4608個(gè)邏輯單元，26塊M4KRAM塊，13個(gè)嵌入式乘法器，2個(gè)鎖相環(huán)，用戶I／O引腳數(shù)目有89，可以滿足設(shè)計(jì)要求，并且有一定余量，方便以后功能的擴(kuò)展。AD轉(zhuǎn)換器選用AD公司推出的AD7492，而存儲器選用NanoAmp公司推出的N08L163WC2A，容量為512k×16bit。系統(tǒng)的整體框圖如圖1。　　
　　FPGA控制模塊實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制，主要包括：AD控制、存儲器的讀寫、時(shí)鐘產(chǎn)生、負(fù)延遲計(jì)數(shù)及觸發(fā)模塊等。其中時(shí)鐘模塊為系統(tǒng)各芯片提供工作時(shí)鐘，并產(chǎn)生適合不同環(huán)境的采樣時(shí)鐘信號。負(fù)延遲模塊是為確保記錄信號的完整性，不致于把觸發(fā)信號以前的數(shù)據(jù)丟失。本設(shè)計(jì)負(fù)延遲為8kW，負(fù)延遲計(jì)數(shù)器記滿(512-8)kW后停止計(jì)數(shù)，采樣結(jié)束。觸發(fā)模塊主要是對系統(tǒng)由一個(gè)環(huán)境進(jìn)入另一個(gè)環(huán)境的方式進(jìn)行控制。觸發(fā)方式包括外觸發(fā)、計(jì)數(shù)觸發(fā)、比較觸發(fā)。計(jì)數(shù)觸發(fā)是對采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，采樣點(diǎn)數(shù)等于預(yù)設(shè)的計(jì)數(shù)點(diǎn)數(shù)時(shí)，就會產(chǎn)生觸發(fā)信號。比較觸發(fā)是采樣值與預(yù)設(shè)值作比較，當(dāng)采樣值大于或小于預(yù)設(shè)值時(shí)就會產(chǎn)生觸發(fā)信號。
　　
　　2、采樣策略的研究
　　
　　2．1變頻采樣的狀態(tài)設(shè)計(jì)
　　
　　在一些測試中，例如彈丸在全彈道運(yùn)動(dòng)過程中的加速度變化、石油開采過程中射孔時(shí)的壓力變化，被測信號的頻率變化很大，因此僅由信號的zui高上限截止頻率確定采樣頻率是不合理的，信號的采樣頻率應(yīng)該是可變的。因此，需要對被測信號進(jìn)行采樣規(guī)律設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)一定的采樣策略，綜合考慮模糊誤差、測量時(shí)間、存儲容量等因素，從而達(dá)到*的測試效果。張文棟教授結(jié)合存儲測試?yán)碚撆c應(yīng)用對動(dòng)態(tài)測試的信號存儲過程提出了四種采樣策略，包括均勻采樣策略、自動(dòng)分段均勻采樣策略、編程分段自適應(yīng)均勻采樣策略以及自適應(yīng)采樣策略，這四種采樣策略均適合瞬態(tài)速變信號的存儲記錄。
　　
　　根據(jù)被測信號頻率變化很大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖2所示的狀態(tài)圖，實(shí)現(xiàn)對此類信號的變頻采樣。測試系統(tǒng)分環(huán)境對信號采樣記錄，每個(gè)環(huán)境的采樣頻率可以在采樣前進(jìn)行設(shè)置，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三個(gè)環(huán)境，即采樣頻率zui多變化三次。　　
　　在存儲測試開始之前，通過軟件編程將采集存儲過程分為幾個(gè)階段，根據(jù)被測信號的變化，每一個(gè)階段的采樣頻率、存儲點(diǎn)數(shù)、采樣開始時(shí)間會作自適應(yīng)的調(diào)整。首先接通電源使電路處于復(fù)位態(tài)，此時(shí)數(shù)字電源VDD為通電、模擬電源VEE為斷電狀態(tài)，系統(tǒng)中只有FPGA控制模塊工作；然后對電路編程設(shè)定各個(gè)環(huán)境的采樣頻率，給電路上電，電路進(jìn)入等待觸發(fā)態(tài)，此時(shí)VDD、VEE通電，存儲器、AD轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)，開始采樣，地址計(jì)數(shù)器開始工作；觸發(fā)信號TRI1到來后，進(jìn)入f1采樣態(tài)，系統(tǒng)按編程設(shè)定的采樣頻率f1開始采樣，負(fù)延遲計(jì)數(shù)器開始工作；2環(huán)境觸發(fā)后，系統(tǒng)按照設(shè)定的采樣頻率f2進(jìn)行采樣，此時(shí)處于f2采樣態(tài)；3環(huán)境觸發(fā)后，系統(tǒng)按采樣頻率f3采樣，處于f3采樣態(tài)；當(dāng)負(fù)延遲計(jì)數(shù)器計(jì)滿設(shè)定值時(shí)，地址計(jì)數(shù)器和負(fù)延遲計(jì)數(shù)器均停止工作，VEE斷電，系統(tǒng)進(jìn)入等待讀出態(tài)；在讀出數(shù)據(jù)態(tài)，地址同步推進(jìn)，直到讀完所有的數(shù)據(jù)。
　　
　　2．2變頻采樣的模塊設(shè)計(jì)
　　
　　采樣頻率決定了采樣信號的質(zhì)量和數(shù)量，采樣頻率太高，會使采得的信號數(shù)量劇增，占用大量的存儲單元，采樣頻率太低的話，會使模擬信號的某些信息丟失，恢復(fù)出的信號會出現(xiàn)失真。為了達(dá)到*效果，必須根據(jù)信號的特點(diǎn)選擇合適的采樣頻率。圖3為設(shè)計(jì)的采樣時(shí)鐘選擇模塊。　　
　　設(shè)計(jì)可選采樣頻率有八種，如圖3中1MHz～1kHz，都是由FPGA的時(shí)鐘模塊分頻而來，可根據(jù)實(shí)際情況修改。S1、S2為環(huán)境選擇信號；P0～P2、P3～P5、P6～P8三組信號分別是三個(gè)環(huán)境的采樣頻率控制字，在測試前根據(jù)環(huán)境采樣頻率的需要來編程設(shè)定；模塊mux8為8選1數(shù)據(jù)選擇器，根據(jù)輸入的三個(gè)控制字來選擇對應(yīng)的采樣頻率輸出。系統(tǒng)上電后，環(huán)境選擇信號S1、S2為“00”，模塊mux3將1環(huán)境的采樣頻率控制字P0、P1、P2輸入到模塊mux8中，系統(tǒng)自動(dòng)以1環(huán)境的采樣頻率進(jìn)行采樣；2環(huán)境的觸發(fā)信號到來時(shí)，S1、S2由“00”跳變?yōu)?ldquo;10”，2環(huán)境的采樣頻率控制字P3～P5送到mux8中，以2環(huán)境的采樣頻率進(jìn)行采樣；當(dāng)3環(huán)境的觸發(fā)信號來臨，S1、S2由“10”跳變?yōu)?ldquo;11”，3環(huán)境的采樣頻率控制字P6～P8被選中，系統(tǒng)以3環(huán)境的采樣頻率采樣。
　　
　　3、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
　　
　　該實(shí)驗(yàn)對標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器輸出的正弦波信號進(jìn)行采集和存儲，采樣策略選擇為三環(huán)境采樣，1環(huán)境采樣頻率為1MHz，2環(huán)境為100kHz，3環(huán)境為50kHz，外觸發(fā)進(jìn)入1環(huán)境，計(jì)數(shù)觸發(fā)進(jìn)入2環(huán)境，計(jì)數(shù)值128kW，計(jì)數(shù)觸發(fā)進(jìn)入3環(huán)境，計(jì)數(shù)值32kW。系統(tǒng)采樣完畢后，連接到計(jì)算機(jī)通過上位機(jī)軟件讀取數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)波形如圖4。　　
　　設(shè)置為計(jì)數(shù)128kW進(jìn)入2環(huán)境，計(jì)數(shù)32kW進(jìn)入3環(huán)境，而系統(tǒng)負(fù)延遲為8kW，分為4個(gè)通道，因此1、2環(huán)境的分界點(diǎn)為(128+8)·1024／4=34816點(diǎn)，2、3環(huán)境的分界點(diǎn)為(128+8+32)*1024／4=43008點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)波形與計(jì)算值相符。如表1所示：　　
　　通過上表可以看出，系統(tǒng)變頻采樣模塊的設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)的要求，并且系統(tǒng)是*按照設(shè)定的采樣策略進(jìn)行采樣的。
　　
　　4、結(jié)束語
　　
　　介紹了一種用FPGA實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)測試存儲測試系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明系統(tǒng)能對信號進(jìn)行不失真采樣存儲。證實(shí)了所設(shè)計(jì)的采樣策略對多種變化規(guī)律的信號采集具有通用性，實(shí)現(xiàn)了對信號的變頻采樣，擴(kuò)展了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。