基于FPGA的无线传感器信号传输模块的设计

亓岳岩，王 刚，王智友，张会新

(1.中北大学，电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051；2.北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

在飞行器试验中，各种参数对飞行器有着非常大的影响，如力学中的压力、过载、振动、冲击、加速度等，这些参数的实时性和准确性直接影响到了飞行器试验成功与否，所以一种或多种传感器放置于飞行器的多个不同位置是必不可少的[1]。传感器将产生的信息及时并准确地传送到飞行器的主控单元，主控单元将通过这些信息对飞行器的相应单元动作，并这些信息编码发送回地面接收站，进行调整以保障飞行试验的成功[2]。

目前，在飞行器试验中，主控单元与传感器多采用有线连接，信息的传输采用模拟量的形式进行直接传输。有线连接的信号线会占用飞行器的空间并增加飞行器的质量，从而造成飞行器资源利用率低的情况。而模拟信号的直接传输容易出现电磁干扰的问题，从而使信号的质量降低[3]。

采用无线通信的方式，可以将模拟信号转换为数字信号进行传输，以FPGA为控制核心采用滤波技术和容错算法，可以较大程度地提高传输信号的质量。并且无线通信的方式可以极大提高空间利用率，减少了电缆的质量，可以有效地提高飞行器的实际荷载。

1 总体设计

由于FPGA具有低功耗、集成度高、开发周期短、低成本、高性能等优点[4]。因此本系统选用FPGA Spartan-6系列的XC6SLX9作为主控单元。采用三向振动传感器完成力学环境中振动量的测量。硬件系统包括低通模拟滤波电路模块、A/D转换电路模块、FPGA模块、CC3200射频电路模块。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

三向振动传感器产生3路0～5 V标准电压模拟量，先经过二阶低通滤波器，去除高频噪声，然后经过放大、跟随处理，传输到ADS8365模数转换模块转换为数字量，传输到FPGA控制模块进行滤波、编码后，发送到射频电路模块由CC3200将数据转换为WiFi通信协议格式后，通过载波信号发送出去。最后由上位机对数据进行检测、分析。

2 硬件设计

2.1 低通模拟滤波电路设计

为了避免传感器采集的模拟信号在传输过程中受到电磁干扰的影响，需要在模拟信号输入A/D模块之前进行滤波处理[5]。由于电磁干扰的频率大都远高于2 kHz，本文设计中采用有源二阶低通滤波电路进行滤波处理，这样可以有效提高模数转换模块的精度。图2为有源二阶低通滤波电路图。

图2中U1 OPA234以及外围的配置电路组成了典型的压控式有源二阶滤波电路，该滤波电路的截止频率为2 kHz，可以有效滤除高频率噪声。OPA234以及R3、R4构成滤波电路自带的放大功能，由于本模块所采用的传感器模块输出0～5 V电压，符合A/D的直接采集要求，所以滤波电路的放大倍数应趋于1。

图2 有源二阶滤波电路图

2.2 模数转换电路设计

由于三向传感器的模拟量输出有3路，所以选择ADS8365作为模数转换模块，ADS8365具有6个模拟量输入端，其内部集成6个数据转化互不干扰ADCs，各通道采样率均为250 KSPS，16位数字信号并行输出，可以达到1/216的分辨率，完全满足了模拟输入量、采样率以及分辨率的要求，由于模拟输入量只有3路，其余3路输入接口均采用10 kΩ电阻进行拉高处理，保留的3路使用单端输入模式[4]。ADS8365电路设计图如图3所示。

图3 ADS8365电路图设计原理图

ADS8365内部实现了数字与模拟部分的完全隔离，所以采用不同的供电方式，其中模拟部分采用+5 V供电电源，数字部分采用+3.3 V供电电源，所以其数字电路部分的引脚可以通过22 Ω排阻直接与FPGA相连接，不需要进行电平转换，降低了设计成本，也减小了模块设计的密度与体积。

2.3 FPGA模块电路设计

模块中FPGA的最主要功能就是对ADS8365进行时序控制，以固定的采样频率获取模拟输入信号然后转换为数字信号，并对数字信号进行FIR滤波处理，然后对数字信号进行编码。最后FPGA通过无线模块的反馈信息对编码后的数据进行串并转换并传输给无线收发模块[6]。

本文中的FPGA有3.3 V和1.2 V 2个供电电平，采用MP1482同步整流减压转换器进行供电电平的转换。MP1482为电源可调的电源芯片，图4为电平转换电路图。

图4 FPGA电平转换电路

电路设计中，采用50 MHz有源晶振作为FPGA的工作时钟，通过特定的引脚输入输出。

2.4 CC3200外围电路设计

由于内部集成了DC-DC电压转换器，所以CC3200能够适应不同电压和电流供应，即稳定外部1.85 V供电和宽范围供电模式。这样的设计方式使CC3200的供电电源可以选择相对不稳定的电池供电，使用方式更加灵活方便[7]。

由于内部没有集成的ROM，CC3200在程序运行时需要将程序存储在外部提供的串行SPI接口ROM实现，本设计中选用W25Q8BLSNIG作为外部ROM提供程序的存储功能。上电后，CC3200的程序读取由外部SPI接口ROM实现，然后进行内部寄存器配置。

3 模块控制逻辑设计

图5 ADS8365数据转换和读取时序图

4 测试结果与结论

本文的针对模块数据传输的可靠性以及无线通信进行验证，在数据传输可靠性验证方面，使用三向振动传感器产生信号，X方向设定为锯齿波的振动模式，其中振动最低和最高频率分别为20 Hz和2 kHz，Y方向为正弦波的模式，Z方向为锯齿波的模式。转换完成的数据回收到上位机时采用UART转USB进行传输，使用HexEdit软件观察结果如图6所示。并利用MATLAB进行数据分析。

图6 振动实际测试后HexEdit软件观察结果

从软件观察结果可以看出，实际测试时3个通道同时进行，帧计数完全连续，收回的数据帧格式也完全对齐，所以不存在丢数和误码情况。

由于实际测试的周期较长，本文只选用一个周期的数据进行分析。MATLAB分析图如图7所示。

由数据分析图与实际测试的情况相对比可以清楚地看出，模块的模数转换符合实际工作状态。充分验证了模块信号传输的可靠性高。

图7 MATLAB数据分析图

无线通信验证方面主要检验模块在数据无线传输中是否出现误码和丢帧的现象。本文采用模块作为终端，WiFi无线路由器作为AP，三向振动传感器产生的信号作为模拟输入。在实际测量中，在4分11秒的时间内读取了19.866 MB数据，数据传输的速率为0.079 MB/s。使用HexEdit软件进行结果观察如图8所示，实际分析结果如图9所示。

分析结果表明，数据传输完全正确，不存在误码或者丢帧的现象。在后续多次测试以后，模块在传输中虽然出现丢帧现象，但出现的几率非常低，并且在规定的容错范围内。这充分验证了模块无线传输的可靠性。

图9 分析软件分析结果

本文设计的无线采集传输系统模块，可以将近距离传感器模块产生的信号进行模数转换，并通过WiFi技术将数据进行无线传输，且无线传输速率可以满足实际需求。通过多次的实际验证，模块实现了模数转换以及无线传输功能，具有较高的可靠性，可以有效地节省空间，提高飞行器的荷载比，并且系统成本低廉，结构简单，具有较高的实用价值。