基于FPGA的网络型综合信号采集卡设计

宿文玲， 于海宏

（1.黑龙江财经学院，哈尔滨150025;2.哈尔滨量具刃具集团有限责任公司，哈尔滨150040）

0 引言

高精度齿轮测量中心是一种精密型齿轮及齿轮相关工件的专用测量仪器，为保证较高的测量精度，仪器都会配置有高分辨率光栅尺和高精度电感测头，因此这就要求齿轮测量中心的数控系统内部必须具有一个专用的数据采集器件，用于光栅信号与电感测头信号的采集处理，并能够把处理后的信号传输给计算机，通常这类采集器件都是以板卡的形式存在，与计算机的通讯接口大多采用PCI接口和USB接口。虽然这两种接口应用的比较广泛，历史也比较悠久，但仍然存在一些缺点。例如计算机的PCI接口易造成接触不良的情况，且驱动程序开发难度较大，而USB接口容易因供电不足导致工作异常。针对以上问题，我们在实际产品研发过程中，决定开发一款网络型综合信号采集卡，应用网口通讯将杜绝以上两种接口的弊端，同时传输速度与应用前景也有着明显优势，下面就概括介绍一下这款板卡的设计过程。

1 总体方案设计

在综合考虑齿轮测量中心及其它测量仪器的应用需求后，编制项目设计任务书，确定本次设计的网络型综合信号采集卡应具有如下特点：1）采集卡采用网路接口与计算机通讯，可将经过采集、运算的信号传输给计算机，也可接收来自上位计算机的各种指令信号，运行过程中信号传输要稳定、可靠，不能数据丢失或传输中断。2）本采集卡是一块多路综合信号采集卡，为能够更广泛满足多型号齿轮测量中心和其它类似测量仪器的使用要求，采集卡应能够同时采集8路光栅数字信号与3路电感测头模拟信号。3）综合信号采集卡可实现多种运算功能，例如：实现上电自动复位计数器；实现等间距数据采集或等时间数据采集；实现单个计数器单独清零、计数器整体清零、通过光栅零位信号单独清零或整体清零；以及实现单点数据采集和批量数据采集。4）在满足基本功能的前提下，综合信号采集卡的电路设计应尽量简洁，具有一定灵活性。因此核心信号处理电路将采用FPGA可编程门电路芯片完成，这使得板卡的主要数字信号处理和运算功能将通过软件编程的形式实现，使采集卡功能一定程度上摆脱了硬件的限制，具备很高的灵活性。5）板卡设计应充分考虑可调试性和抗干扰能力。

2 采集卡的具体设计

根据总体设计方案所要达到的设计目标，本次设计的综合信号采集卡按照所需实现的功能，我们可将其原理图按照功能分为如下几个模块：光栅信号接口模块、电感测头接口模块、FPGA芯片主信号处理模块、网络接口模块以及电源模块，按照这样的设计思路，逐个模块地完成整套设计。因此从这几个功能模块入手，参照以往的设计项目案例，开始综合信号采集卡的具体设计。

2.1 信号接口设计

依据采集卡的整体设计方案，此次设计的网络型综合信号采集卡的信号接口有三大类：1）两类输入信号接口，分别用于接收光栅信号和电感测头信号；2）采集信号经FPGA芯片处理后，通过网络接口输出给上位计算机进行最终运算。光栅信号的接收以往设计中已有很多成熟案例，只需将光栅信号用专用差分接收芯片MC3486接收转换；电感测头信号是模拟信号，需要经过模数转换芯片AD7684处理；两路输入信号进行接收、转换后共同送入FPGA芯片进行数据运算与处理。信号经运算、合成、变换后将通过网络接口输出给上位计算机。在本设计中采用网口接口芯片W5100、网络传输控制芯片LPC2148和网络控制存储芯片AT24C02组成一套完整的网络传输接口，在批量数据传输中数据格式采用帧结构，一帧中包含2048个8位数据，数据存储满后通过网络接口芯片中断上位计算机，计算机收到中断后开始读取数据处理芯片上的数据。同时，网络型光栅计数器上面的存储、传输方式采用交替存储、传输模式，以保证数据不会在采集与存储中丢失。

2.2 FPGA芯片选型及相关设计

接收光栅信号与电感测头信号的运算处理，以及信号经处理后通过网口接口向上位计算机的传输控制都需要FPGA芯片来完成，由此可见FPGA芯片是本次设计采集卡的数据处理与控制核心，也是本次设计的重点与难点。在芯片的选择上我们直接选择了常用的Altera公司CycloneⅡ系列产品EP2C20Q240型FPGA芯片，这款产品技术资料与案例例程丰富，可以很快上手设计。原理图设计工程中，我们通过Quartus软件给FPGA芯片分配管脚定义,分配时要充分考虑到后期PCB板布线的合理性，将相同功能的管脚定义到芯片同侧。因为此次设计的是一款综合信号采集卡，FPGA芯片所承担的处理运算功能较多，而且在实际应用阶段还可能根据应用要求的不同进行功能调整，所以若想把FPGA内部程序设计成一套整合的代码程序，开发难度很大而且程序移植性也不高。为了规避这样的设计风险，我们将各个功能用编程语言开发完后封装成独立的图形模块，再结合设计软件自带的常规图形模块实现设计功能，这样FPGA内部的整套程序都将是图型化的形式，这种混合的设计方法大大增强了程序的可读性、可移植性，也降低了开发难度。

2.3 采集卡电源模块设计

根据所选电气元件的应用情况，通过查询芯片手册可以知道保证采集卡上各种芯片的工作只需要提供+5 V和+3.3 V两种电源信号，其中+5 V电源在数控系统中是常用电源，因此采集卡的+5 V电源我们可以设计成从数控系统中取得，而+3.3 V电源可以通过电源转换芯片TPS75733将+5 V转换得到。为保证采集卡的稳定工作，稳定的电源是基础，因此在设计板卡电源模块时，应合理地安置滤波电容、滤波电感，避免外部电源波动对板卡的干扰。同时，电源保险丝与电源指示的灯的布置也是必不可少的，这些小的设计细节可以显著提高板卡的安全性与易用性。

2.4 采集卡PCB板图设计

在完成全部原理图设计后，需要将原理图借助设计软件绘制成可供生产使用的PCB板图，在本次设计工程中我们遵循以往的设计经验，比如按照信号走向布局元器件位置；有信号连接关系的芯片摆放距离尽量较近，减少走线长度；电源线与地线应适当加粗；关键信号电应预留检测点，以方便板卡的调试；板卡正反面双面覆铜提高抗干扰性等。除了以上PCB设计常规经验外，为了尽量减少采集卡的体积，电阻电容电气元件我们都采用0603小尺寸贴片封装形式；同时为了进一步提高板卡的抗干扰性及稳定性，我们采用了4层PCB板的结构，将电源与地独立布局到一层，这样的设计也增强了板卡的力学强度。

3 样卡的试制与调试

样试板卡的PCB板生产完成后，按照板卡装配图（见图1）逐一焊接电气元件，焊接过程中将封装不合理、焊接空间不够等问题记录清楚，以便后续对PCB板进行完善设计，全部元件装配完成后，先尝试接通电源，确认电源指示灯正常，无短路或异常发热情况后，连接光栅信号、电感信号及网络通讯，开始逐项测试网络通讯及光栅和电感信号采集过程。经过反复的测试与修改，样试板卡终于实现了所有设计功能。随后，将这套新设计的网络型综合信号采集卡，应用到了L型齿轮测量中心的数控系统中，试验样卡很好地实现了测量中心数控系统所需的所有功能需求。后续试验中，为了验证板卡的稳定性，我们还针对样试的采集卡进行了24 h不间断连续运转试验，经3 d的不间断试用，证明本次设计的板卡是稳定可靠的，可以满足测量仪器对数据采集卡的应用要求。

图1 板卡装配图

4 结语

这套网络型综合信号采集卡的设计,不同于传统采集卡,应用起来更加灵活方便,可避免以往采集卡的应用弊端,也使将来远程网络综合数据采集与监测成为可能,因此这种网络型综合信号采集卡的研发具有很高的实际应用价值,同时对于其它网络型功能板卡的设计具有参考价值。

[1]赵洪深,刘容,李晓今.基于FPGA的多路光栅信号并行采集方法[J].现代电子技术,2013(19):67-69.

[2]王霞,胡毅,章赞.基于FPGA的多角度圆光栅数据采集系统的研制[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2006,29(8):1039-1041.

[3]苑俊英,陈海山.光栅信号采集的分析与实现[J].机电工程技术,2009,38(5):36-39.

[4]闫丽,段发阶,方志强.基于CPLD芯片的光栅信号细分模块的设计[J].计量技术,2005(10):5-8.

[5]马游春,王军辉,李锦明.基于FPGA和以太网接口的光栅解调应用[J].仪表技术与传感器,2013(2):107-110.

[6]刘红雨,马游春,李锦明,等.DM9000A的高精度光栅传感解调仪网络接口设计[J].火力与指挥控制,2013(11):158-160.

[7]葛华磊,陈叶金,栗大超.基于ARM处理器的运动控制器的设计与实现[J].测控技术,2016,35(2):83-86.

[8]BHASKER J.VerilogHDL入门[M].夏宇闻,甘伟,译.北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[9]王强,王军,马强,等.CNC齿轮测量中心数据采集系统的设计[J].计量技术,2009(12):37-40.

[10]牟涛,任志航,樊占峰,等.基于高性能FPGA的合并单元设计与实现[J].电力系统保护与控制,2016,44(19):128-132.

[11]周润景,姜攀.基于QuartusⅡ的数字系统VerilogHDL设计实例详解[M].北京:电子工业出版社,2014.

[12]潘松,王国栋.VHDL应用教程[M].成都:电子科技大学出版社,2000.

[13]王金明,杨吉斌.数字系统设计与VerilogHDL[M].北京:电子工业出版社,2002.

[14]吕辉.现代测控技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.

[15]丁玉美,高西全.数字信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.