基于FPGA的高精度同步测量系统

张法全，贾少博，高平东，王国富，曾庆宁

(桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林　541004)

0　引言

瞬变电磁法(TEM)是探测地下介质电性参数等信息的重要方法之一，在矿产勘探、地下水探测等领域具有广阔的应用前景。根据瞬变电磁法的原理，发射机在关断发射电流的瞬间，接收机采集由地下介质产生的纯二次场，而这个发射接收的过程是很短暂的，这样就要求发射机与接收机必须实现严格地同步工作[1]。实现同步的方式有“时间戳”方式及GPS同步电平触发方式。在使用GPS电平触发方式的系统中，同步信号往往不是完全同步的，不可避免地存在一定的相位差，而这个相位差的大小决定了整个数据采集系统的可靠性[2]。为测量同步信号的稳定性，在某矿区TEM勘探系统上进行了设计与测试。该系统采用GPS同步方式，若发射机同步仪为A，接收机同步仪为B，其同步信号为如图1所示的双极性波，同步信号的相位差为τi．在发射机发射电流突变为零时，接收机进行采样接收，为保证接收机采样的及时性与可靠性，要求τi尽可能的小。而在实际生产中针对这一参数的测量，往往只是用示波器进行短期观测，得到的结论并不准确。

原因是多方面的：一是由于南通长期不通，使得南通经济腹地范围偏小，经济辐射能力偏差；二是各大物流园区、港区各自为政，从而导致运送规模偏小，规模效益难以实现；三是由于缺乏对货物集装箱化专门研究，货物集装箱转化率低。这些原因都限制了集装箱联运货源量，也难以保证有稳定的货源，从而限制了集装箱多式联运的发展。

针对发射机与接收机同步信号相位差的测量问题，文中设计了一款基于FPGA的测量系统，而系统中采用的时钟分相算法大大提高了测量分辨率。

1　时钟分相算法原理

时钟分相是将时钟作一定延时后，再分别用原时钟与延时后的时钟同时对信号计数，从而提高测量精度的方法。它的实现依赖于延时单元的稳定性，分辨率取决于单位延时单元的延时时间[3]。图2是4级时钟分相的时序图。若时钟频率为100 MHz，则周期为10 ns，利用该时钟测量信号(SIG)高电平的时间。将100MHz的时钟信号经3次延时，每次相位滞后90°，即延时时间为2.5 ns，得到时钟CLK2、CLK3、CLK4，延时之和刚好覆盖一个周期。若只用时钟CLK1对SIG测量，可记4个时钟(时钟上升沿个数)，测量结果为40 ns，其分辨率为10 ns.采用时钟分相法计算，4路时钟共计得15个时钟周期，即上升沿个数为15个。将时钟叠加为一路计算，则ΔT=15×2.5=37.5 ns，分辨率为2.5 ns，即用4路时钟分相测量法分辨率较1路时钟提高了4倍。

图2　时钟分相时序图

稳定的延时单元是实现该算法的前提。在该系统的设计中采用了Cyclone Ⅱ系列的FPGA.利用该芯片的两个锁相环(PLL)来实现倍频及延迟，为算法的实现提供硬件平台[4-5]。

2　系统总体结构

为了实现系统的全部功能，设计采用模块化设计思想。硬件部分包括单极性转换电路、相位差提取电路、FPGA测量控制电路、LCD、SD卡等，如图3所示。通过单极性转换电路，将同步仪发出的双极性信号转换成单极性信号，再通过相位差提取电路的一系列逻辑运算得到相位差的方波信号和计数使能控制信号，最后有FPGA进行时钟分相计数，得到两路同步信号之间的相位差。

相位差提取部分考虑到FPGA内部延迟的不确定性，未采用FPGA进行相位差提取，而是通过纯数字逻辑电路来实现相位差的提取，从而避免了在FPGA计数之前就出现误差的现象。

系统所采用的FPGA最高时钟可达到400 MHz，在要求更高的情况下，可进一步提高测量分辨率，将50 MHz经锁相环8倍频，再利用时钟分相法计算，可使测量分辨率达到0.625 ns．通过实际测量，该系统准确度高，测量结果为判定同步仪的可靠性提供了依据。而用计算机绘制的相位差曲线图为判定同步仪的稳定性提供了更加直观的依据。

系统中用到的FPGA是EP2C5Q208，内部有两个PLL，可输出四路时钟信号，在满足系统要求的前提下，具有低成本、低功耗、先进的I/O口支持等特点[7-8]。

图3　系统框图

3　系统硬件设计

测量与控制用FPGA来实现，主要实现的功能是相位差的测量与储存，LCD的显示控制。FPGA的外部晶振频率为50MHz，通过内部锁相环(PLL)2倍频，同时以0°、90°、180°、270°移相，得到4路100MHz的计数时钟，当输入信号PLUS_OUT为高电平时，计数器开始计数，低电平停止计数，输入信号CLEAR_EN下降沿到时将计数器锁存值清除，READ_EN下降沿到时读出并存储计数器锁存值。LCD显示的是相位差出现在某区间内的次数，以便比较直观的告诉观测者被测同步信号的同步质量。

对高校突发事件的理解，如果从突发事件的角度展开分析，可以理解为“突然发生的严重事件，对社会或者学校造成较大的不良影响，需要采取一系列的应急措施加以防范”。至于对高校突发事件的具体判定，每个人在认识上可能存在差异，但是其中大多数人认为：这类型事件主要指的是在高校内部突然发生、同时给学校生活造成严重威胁和损失的重大事件，通常会给学校带来较大的不良影响。

[1]王粤，龚育龄．瞬变电磁法在探测煤矿采空积水区中的应用．工程地球物理学报，2012(1)：75-78．

由于被测同步信号为双极性的差分信号，而后续的数字电路无法处理负电平，这就需要对同步信号进行单极性转换。这里采用的是利用光耦合器来进行极性的转换。同步信号每个周期内存在两次归零突变，这两次突变控制了接收机何时进行采样接收，所以需要测量这两次跳变沿的相位差。由于1个光耦合器得到的只是其中一路同步信号的一个跳变沿，为得到含有这2个跳变沿的单极性波形，每路同步信号需要2个光耦进行转换，再将转换的波形进行逻辑异或运算，最后得到完整的待测信号，电路如图4所示。

图4　单极性转换电路

表1为连续测量10h LCD显示的结果，显示了相位差区间以及落在该区间的次数。当相位差超过1 μs后，则导致该TEM系统所得到的结果无效。从表1中可以看出，在连续10h的测试过程中，相位差位于400 ns之内的占到99.92%，最大相位差小于800 ns，完全满足技术要求。

设计中使用组合逻辑电路进行相位差提取。电路采用完全对称结构，因此由逻辑器件的延迟造成的误差可忽略不计。电路如图5所示，高性能异或门的两个输入PLUSA、PLUSB分别是两路同步信号经单极性转换后得到的。输出PLUS_OUT除了有归零跳变沿的相位差，还存在非归零跳变沿的相位差，因此要加入使能信号来将其排除。如图5中读使能信号READ_EN、清零使能信号CLEAR_EN．

图5　相位差提取电路

图6为该电路各节点的波形。

图6　各节点信号波形

以读使能信号READ_EN下降沿来控制计数结果的储存，清零信号CLEAR_EN下降沿来控制计数结果寄存器的清零，这样被储存起来的数据均是同步信号归零跳变沿的相位差。

3．3测量与控制电路

3．1单极性转换电路

近年来，黑龙江省初步形成了专项扶贫、行业扶贫和社会扶贫“三位一体”的精准扶贫体系框架，但在具体实施过程中仍存在诸多问题。

4　系统软件设计

软件在整个系统是控制硬件以及实现算法的关键。为了使软件结构便于管理，简化软件开发，设计采用模块化分层的思想，提高软件的可行性和稳定性。整个软件执行流程如图7所示，初始化之后开始运行时间计时程序，在存储测量数据的同时记录该数据对应的时刻。

图7　软件流程图

5　测试实例

从笔者与相关一线党员干部的交流，我们发现，记过处分以下的处分他们较为能够接受，这里是否可以将记过处分作为一个考量的标准？当然，我们也认为，记过处分作为责任的分水岭，超过部分已经超出容忍的范畴，较低部分的行政处分可以作为容忍的范畴，这个问题还需要进行进一步的实证化研究。

图8　示波器波形

3．2相位差提取电路

为了验证该设计系统的可行性，这里对某一型号的TEM同步信号进行测量。同步信号频率为6.25 Hz，单极性转换后的信号频率为12.5 Hz．图8为用示波器观测的两路同步信号下降沿相位差的波形。3通道为提取后的相位差，与实际相位差一致。

6　结论

1.2.1 与化学杀菌剂复合使用 化学防腐剂在果蔬采后病害防治中效果显著，而单独使用拮抗菌很难达到这样的效果。因此，可以通过添加低剂量的化学防腐剂来增强拮抗菌的防治效果，有些甚至能够100%抑制病原菌的侵染[16]。Errampalli等[17]将低剂量的cypronidil和Pseudomonas syringae复合使用，较单独使用菌剂，能更加有效地控制苹果青霉病。Qin和Tian[18]发现，低剂量的imazalil和Cryptococcus laurentii复合使用，对枣病害防治效果远优于两个菌剂单独使用。

表1　实验结果

参考文献：

在出具试验检测报告的过程中，高速公路工程中心试验室要起到良好的带头作用，并明确报告编号与样品编号，不断规范试验检测流程。另外，高速公路工程中的中心试验室还要定期开展试验检测对比活动，针对比较落后的试验检测仪器及时更换，进一步提升高速公路工程试验检测数据的精确性。

[2]于生宝，王忠，嵇艳鞠．GPS同步瞬变电磁探测系统设计．电子测量与仪器学报．2005(19)：39-42．

随着我国经济的快速发展，会计也发生了重大变革，涉及高校财务会计的新理论、新思维、新技术、新变化也日益增多。如项目经费“放管服”改革、管理会计财务分析应用、政府会计准则制度实施、校院两级内部控制建设实施等涉及全校经济活动的变革，又有财务信息系统升级、各业务系统联网、网银支付、批量支付、国库项目银行直联等财务部门内部信息技术方面的变革。高校财务核算部门具有核算与监督两大基本职能，新形势下应突出创新发展思维，敢于打破现有工作模式、方法和流程，树立一体化、业财融合、信息化、智能化工作理念，提高工作效率和服务能力，满足会计新需求。

[3]孙杰，潘继飞．高精度时间间隔测量方法综述．计算机测量与控制，2007(2)：8-11．

[4]邹进波．基于FPGA的精密时间间隔测量研究与实现：[学位论文].西安：西安科技大学，2011．

[5]蔡德胜，方寿海．一种短时间间隔测量方法的研究及其FPGA实现．微电子学与计算机，2012(10)：40-42．

[6]王加祥，曹闹昌，王瑛．用门延迟法提高超声波流量计的测量精度．自动化与仪表，2013(1)：19-22．

2.3 病例组治疗前后的指标比较 治疗后病例组糖化血红蛋白(HbA1c)、血糖、三酰甘油等升高，总胆固醇、HDL、LDL等降低，与治疗前比较的差异有统计学意义(P<0.05)，见表2。

[7]Cyclone II Device Handbook，Chapter 7．PLLs in Cyclone II Devices．Altera，Inc，2007．

[8]Cyclone II Device Handbook，Chapter 10．Selectable I/O Standards in Cyclone II Devices．Altera，Inc，2008．