基于FPGA和ADS8568的弹载实时记录系统设计*

黄玉岗，李　杰，秦　丽，郝晓明

（中北大学电子测试技术国防科技重点实验室，太原030051）

基于FPGA和ADS8568的弹载实时记录系统设计*

黄玉岗，李杰*，秦丽，郝晓明

（中北大学电子测试技术国防科技重点实验室，太原030051）

针对弹载实验过程中采集动态参量的增加，以及炮弹小型化和测试环境恶劣性的增强。设计了一种基于FPGA和ADS8568的小型化模拟信号采集存储系统，选用Spartan-II系列的XC2S30作为核心处理器，详细介绍了弹载实时记录系统的设计与实现方案。采集MEMS陀螺仪在三轴位置速率摇摆温控转台上不同速率下的输出信息进行试验验证，结果表明，所设计的弹载实时记录系统正确有效。该设计为多通道模拟信号采集工程应用提供了一种方法，具有一定的工程应用价值。

信息采集；信息存储；FPGA；ADS8568

EEACC:1265Adoi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.04.008

在现代航空航天、工业生产和科学研究领域方面，对振动、温度和压力等动态参数进行采集存储是必不可少的部分［1］。数据采集就是将被测对象的各种参量（物理量、化学量、生物量等）通过敏感元件作适当转换后，再经过调理、采样、量化、编码及传输等步骤，传送到控制器进行处理或存储的过程［2］。随着被采集量的增加，单路或者两路采集系统已经不能满足需求，因此需要多通道实时采集存储系统。根据ADS8568具有多通道、高精度和低功耗等特点，本文设计了基于FPGA和ADS8568的弹载实时记录系统，并可在存储系统回收后完成数据的回读和后续处理［3-5］。

1　系统组成和各模块设计

本系统由电源模块、信号调理模块、A/D转换模块、FPGA主控模块和FLASH存储模块组成，其原理框如图1所示。

图1　系统总体设计框图

1.1电源管理模块

弹载实时记录系统由单一电源供电，内部的不同模块需要不同的电压。电源管理模块由REG104-5、MAX8882EUTAQ和TPS65130电源转换芯片组成: REG104-5为TI公司的低压差线性稳压电源，输入范围为5.7 V～15.0 V，可将输入电压转换为标准5 V电压，可以为信号调理模块和ADS8568内部ADC提供模拟电压；MAX8882EUTAQ电压转换芯片可将REG104-5转换的5 V标准电压转换成标准的3.3 V 和2.5 V，3.3 V分别为FPGA I/O口提供工作电压，为FLASH正常工作提供电压，为ADS8568数字IO提供电压，2.5 V为FPGA提供内核电压；TPS65130为TI公司的低功耗、可调式电压转换芯片，最高输出稳定电压为±15 V，为A/D正常工作提供双极性电压［6］。ADS8568模拟输入电压范围由双极性电压HVDD和HVSS以及内部参考电压选择决定，内部电压参考选择±2VREF。HVDD和HVSS由配置电阻R1、R2、R3、R4决定，为了充分发挥ADS8568特性，应用其最大的模拟输入范围，本文以电源输出±15 V为例:

TPS65130的电压输入范围为2.7 V～5.5 V，由于电源管理模块有转换出标准的5 V电压，因此系统设定VIN=5 V，根据上面公式以及R2和R4的阻值须小于 200 kΩ，经过实际调试，选定 R1= 2 MΩ，R2=180 kΩ，R3=2 MΩ，R4=160 kΩ。TPS65130可以稳定的输出±15 V，图2为双极性电源转换电路。

图2　双极性电源转换电路

1.2信号调理电路设计

在电子系统中，根据系统对信号的要求，需要对信号做适当的处理。考虑到输入阻抗、噪声系数、漂移及设计易操作性等因素，本文设计的弹载实时记录系统，首先在传感器输出时就对采集的信号进行了调理；另外采用两个TI公司的OPA4340作为ADS8568的前置放大器。它是一款高输入阻抗、高增益带宽、低噪声的 Rail To Rail的高性能运放。由于传感器输出的模拟信号的输入范围在0～5 V，OPA4340芯片的工作电压为+5 V，所以运放采用电压跟随的方式，即电压的放大倍数为AUP=1。对于弹载实时记录系统，通过两个过程的调理，即可满足信号调理设计，信号调理电路图如图3。

图3　信号调理电路

1.3ADS8568接口电路

对经过信号调理后的八通道模拟信号，FPGA发出控制信号控制ADS8568芯片进行数据采集、模数转换。图4为ADS8568硬件并行模式下的接口电路。

图4　ADS8568硬件并行模式下的接口电路

ADS8568的部分关键引脚配置如表1所示。

表1　ADS8568部分关键引脚配置

系统以FPGA作为核心控制芯片:FPGA通过控制AD_RESET信号，实现A/D芯片的复位；通过控制AD_CS信号，实现芯片片选选中；通过控制AD_RD 和AD_WR信号，实现对ADS8568的数据和命令的读写；通过控制CONVST_X信号组的信号，实现对单个通道组或多个通道组的选通，控制A/D转换的数据读取到FPGA内部进行相应的数据处理。

1.4数据存储模块设计

弹载实时记录系统需要对全弹道的数据信息进行实时记录，事后通过对存储系统的回收，来进行数据回读、分析和处理，因此需要配置外部数据存储空间。本系统选择SAMSUNG公司的K9K8G08U0E作为外部扩展FLASH，它具有高可靠性、体积小、容量大等特点，其存储容量为8 Gbit。它可将地址线与数据线复用为8条I/O线，命令、地址和数据信息均通可过8条I/O线传输，不会因存储容量的增加而使引脚数量增加，从而方便系统设计和产品的升级，且无需更改外部硬件连接，因此成为高速采集系统中大量实时数据存储的不错选择［7-8］。

FPGA通过内部软件编程，控制读写信号和不同的指令实现对FLASH的擦除和数据读写。FPGA 与FLASH接口电路的设计如图5所示。

图5　FPGA与FLASH接口电路的设计

2　系统软件设计

2.1采集模块

系统上电后FPGA通过AD_RESET信号完成对ADS8568的初始化，然后FPGA给ADS8568发送启动转换控制信号，每个转换周期内，FPGA向CONVST_X端提供一个高电平转换信号，AD开始一次转换。8个通道转换完成后，BUSY信号自动拉低，通知FPGA可以进行数据读取，此时，FPGA控制AD的片选信号置低，在读信号有效时，分别将八通道的数据读入到FPGA内部的缓存中，完成一次完整的数据转换。然后AD等待FPGA给下一次启动转换信号，如此循环实现数据的实时采集。

图6　ADS8568并行接口模式下时序图

根据图6中ADS8568在并行接口模式下的时序转换图，系统采集模块的软件设计流程如图7所示。

图7　采集模块软件设计流程框图

2.2内部FIFO逻辑设计

为了实现弹载数据实时、连续、大容量地采集，需要在系统软件中设计缓存单元，从而实现高速采样条件下数据采集与存储相匹配的目的。该系统在FPGA内部采用双口随机存储器搭建一个FIFO数据缓冲模块，通过对FIFO模块读写操作的控制，达到输入输出数据速率匹配的要求，进而实现弹载数据采集存储装置对信号的实时、高速采集，保证数据的完整性［9］。

本文采用2个RAMB4_S4_S4，并行连接构成深度为1K，数据宽度为8位的高速FIFO，异步FIFO工作原理框图如图8所示。

图8　异步FIFO工作原理框图

2.3数据存储模块

弹载实时记录系统需要对数据进行事后分析处理，系统采集的数据需要存储到外部的FLASH中。当R/B为低电平时，FPGA将写命令0x80H和地址写入FLASH中，然后将采集到的数据按帧格式写入，在数据加载完成后写入结束命令0x10H，FLASH内部控制将页寄存器中的数据写入到存储阵列目标地址中，同时，R/B信号再次被拉成高电平。

FPGA通过控制FLASH的读写信号和指令数据选择，即可实现FLASH数据的写入、读取和擦除。系统在实际应用时，需要将八通道采集的数据编帧存储，存储模块的软件设计流程框图如图9所示。

图9　数据存储模块流程框图

3　试验验证

为验证所设计系统的可靠性和正确性，以及能否实现八通道数据的同步采样，并将数据完整的存储到外部FLASH中。利用实验室三轴位置速率摇摆温控转台和MEMS惯性传感器MEMS陀螺仪进行测试。测试过程中，将陀螺仪安装在转台中框平面上，八路模拟通道全部接在陀螺仪传感器的输出端。系统上电稳定待惯性传感器输出稳定后。启动三轴位置速率摇摆温控转台，设定转台中框速率分别为（150°/s、130°/s、110°/s、100°/s、90°/s、80°/s、70°/s、60°/s、50°/s、40°/s、30°/s、20°/s、10°/s、6°/s、3°/s、0°/s、-3°/s、-6°/s、-10°/s、-20°/s、-30°/s、-40°/s、-50°/s、-60°/s、-70°/s、-80°/s、-90°/s、-100°/s、-110°/s、-130°/s、-150°/s），每个速率稳定维持30 s，待所有组态完成后，下电利用上位机软件，对FLASH中存储的数据进行回读、分离等处理。其中，FPGA对采集的数据按帧格式编帧存储到FLASH中［10］，帧格式如表2。

表2　采集数据帧格式

通过读数软件，回读FLASH中的原始数据，在上位机中显示部分截取的结果如图10所示，第1列、第2列为数据的帧头，第3～5列为三个字节的帧计数，第6列、第7列为第1通道采集的数据，第8列～第21列为第2通道～第8通道采集的数据。对数据进行分析可知，帧头并未错位，帧计数连续递增，因此，在采集过程中并未出现丢帧和错帧的现象，说明了设计的多通道模拟数据采集系统的完整性和可靠性［11-12］。

图10　FLASH中存储系统采集的原始数据

为了更直观的分析验证，再利用MATLAB对原始数据进行处理［13］。ADS8568输出的数字量以十六进制的形式表示，转换成十进制后记为X。ADS8365模拟量与数字量之间的对应关系如下:

当数据为正时

当数据为负时

通过式（3）、式（4），ADS8568可将数字量换算为相应的模拟电压值如图11所示。

图11　数字量对应的电压值

根据式（5）进一步处理:

可以得到陀螺输出角速率与采集时间之间的关系如图12所示。根据事先设定的输入与实际采集输出的结果对比显示如表3所示，本文设计的系统精度及可靠性均满足要求。

图12　陀螺输出角速率与采集时间的关系

表3　输入角速率与实际采集输出结果对比表　单位:°/s

4　结语

本文利用新型的模数转换芯片ADS8568，结合FPGA逻辑功能强的特点，设计实现了弹载实时记录系统设计，并对系统采集的完整性进行了试验测试。试验结果表明，系统设计接口简单，采集精度高。系统的各项性能指标和可靠性均满足设计要求，在多通道模拟信号采样的环境下有广泛的应用。

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黄玉岗（1988-），男，河北沧州人，现在中北大学读硕士研究生，主要从事微系统集成、惯性测量方向的研究，hyg34217@ 163.com；

李杰（1976-），男，教授，博士生导师。现在中北大学电子测试技术国家重点实验室工作，目前的主要研究方向为微系统集成理论与技术、惯性感知与控制技术、组合导航理论、计算几何及智能信息处理等，Lijie@nuc.edu.cn；

秦丽（1963-），女，教授，博士生导师，主要从事动态测试、微系统集成及可靠性方面的研究，主持和参与国家863、国防973、国家自然科学基金、山西省自然科学基金等多项科研项目，nucqinli@ 163.com。

Design of Real-Time Recording Missile System Based on FPGA and ADS8568*

HUANG Yugang，LI Jie*，QIN Li，HAO Xiaoming
（Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Considering the increase of dynamic acquisition parameters，miniaturization of shell，and deterioration of test condition，the paper designed a miniature analog signal acquisition and storage system based on FPGA and ADS8568，chose XC2S30 of Spartan-II as the core processor，and introduced the design and realization method of the real-time recording system in detail.Tests verified by gathering and analyzing the output information from MEMS gyroscope under different rates by the three axis position and speed swing turntable showed that the analog signal acquisition and storage system is feasible and effective.The system provided a method of engineering application for multi-channel analog signal acquisition and has a certain value in engineering.

information acquisition；information storage；FPGA；ADS8568

TN108.7

A

1004-1699（2016）04-0506-06

项目来源:国家自然科学基金项目（51575500）

2015-11-20修改日期:2016-01-05