FPGA和STM32的弹体表面压力测试系统设计与实现

1万 · 2019-4-13 12:00

基于FPGA+ARM的弹体表面压力测试系统硬件部分主要包括信号调理模块、
FPGA逻辑模块、ARM控制模块以及电源模块。信号调理模块主要用于传感器信号的
放大与滤波，通过八通道同步采集的A/D模数转换芯片完成对模拟信号的采集。FPGA
模块主要用于AlD芯片控制、SDRAM内存管理以及数据的缓冲和并行传输，设计中加
入FIR数字滤波器以进一步提高数据采集精度，同时使用PLL、异步FIFO等IP核提
高系统的稳定性与硬件利用率。ARM模块主要完成对采集流程的控制、数据信息的处
理和存储，并且设计与上位机的通讯接口，便于数据的导出与进一步分析。
最后，在完成系统的软硬件设计后，针对所实现的弹载数据采集系统，对各主要模
块进行了相关测试与时序仿真，验证了设计方案的可行性。将传感器接入该弹载数据采
集系统进行压力采集测试，并将采集结果与瞬态信号采集仪的结果进行对照，验证了压
力采集的准确性，同时表明该系统具有更高的稳定性，可以用于弹体飞行时的表面压力
测试，方便进一步的调零与控制。

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(1)信号调理模块:完成对四路传感器信号的采集、放大和滤波，由于传感器的输
出电压微弱，为了便于A/D芯片的数据转换，要对传感器输出信号后进行放大，同时
加入无源滤波电路，减少高频噪声对采集信号的影响。
(2)数据转换模块:所选择的A/D芯片为ADI公司的AD}6o6模数转换器，为s通
道同步采样输入，A心芯片与FPGA采用并行数据接口通讯，同时为了保证高精度的数
据转换，AD7606采用高精度的外部基准电源，并将该模块作为独立的PCB板进行设计，
通过排线进行连接。
(3) FPGA数据采集模块:FPGA作为保证该数据采集系统同步采集的核心，实现对
A/D转换的控制，对采集数据的缓存与数字滤波，以及通过FSMC接口与ARM端进行
数据交换的逻辑控制。同时由于FPGA有大量灵活的I/O便于用户配置，在数据的输入
与输出端均采用16位并行模式，以提高开发的效率。
(4) ARM控制模块:ARM控制器选择目前应用最为广泛的STM32系列芯片，其拥
有众多的外设接口，可以方便的完成对采集数据的存储、和上位机的数据通讯，以及对
整个系统的监测与控制，完全满足该数据采集系统的需求。同时STM32的开发借助其
方便灵活的库函数与CUBE软件工具，在使用C语言开发的过程中有着较高的效率和
代码可读性，对于提高系统的可靠性和灵活性有着极大的帮助。
(5)电源模块:该数据采集系统采用7.4V }}电池供电，在整个系统的放大电路、数
据采集电路和控制电路中，有着++12V} +lOV} +SV} +3.3V} +1.2V等众多电源，电源
模块要在提供稳定的功率足够的直流电源的同时，尽量提高电源效率。
在数据采集系统的几大模块中，传感器作为数据源，在选择上要尽量减少对被测物
体的影响，同时要考虑传感器量程、分辨率与精度，要在满足设计要求的前提下保留一
定的余量。采用的芯片主要包括A/D数据转换芯片、FPGA芯片、内存芯片、ARM微
处理器芯片等。根据项目要求，并加入灵活性和冗余性的考虑，所设计数据采集系统必
须满足输入通道、采集速度、采集精度等要求，现对上述主要模块的选型进行说明。

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模数转换模块作为数据采集系统的核心，直接决定了整个系统的采样通道、采样速
率和采样精度。所选A/D模数转换芯片的通道数、分辨率和采样速度都应高于系统指
标要求，并且要考虑设计成本。该数据采集系统要求四通道同步采集，查询ADI公司
官网选型手册，选择AD7606作为该数据采集系统的模数转换芯片。AD7606拥有8通
道同步采样输入，真双极性士lOV、士SV模拟输入范围，SV单模拟电源，VDRIVE为2.3V
至SV，采样分辨率为16bit，所有通道转换速度均达到200kSPS，并且提供过采样功能，
具有灵活的并行/串行接口，方便与控制器的数据通讯，积分非线性((INL)为士O. SLSB,
微分非线性(DNL)为士O.SLSB, AD7606的输出编码方式为二进制补码。AD7606的理想
传递特性如图2.5所示。LSB大小取决于所选模拟输入范围。

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AD7606可处理真双极性、单端输入电压，通过RANGE引脚的逻辑电平高低来决
定模拟通道的输入范围，在电路的设计中通过预留电阻为来实现测量范围的可变，在该
数据采集系统中RANGE接逻辑低电平，设定通道的模拟输入范围为士SV。同时在
REF SELECT引脚与PAR/SER/BYTE SEL引脚均通过预留电阻来实现基准电压与字节
输入方式的选择。AD7606模拟输入阻抗为1 MS2，可以与信号源或传感器直接相连，无
需驱动放大器。图3.1所示放大电路中信号输出端串联一个10052电阻，为了去除失调
误差，在响应通道的GND端也串入一个等值的10052电阻。
AD7606同步采样的时序图如图3.3所示，在设计中将CONVST A与CONVST B
引脚连在一起，设置AD7606为八通道全部同步采样，此公用CONVST的上升沿启动
对所有通道的同步采样。

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