K-ECA46

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激光多普勒测振计信号采集与处理系统要求既要具有高速实时的采集和处理能力，也要具有丰富的外部接口，同时，考虑到系统稳定性和灵活性的要求，采用核心板和底层板结合的硬件结构。系统原理框图如图1所示，FPGA 芯片采用Atera 公司的Cyclone Ⅱ 系列EP2C5Q208C8N，它采用90 nm 工艺，具有4 608个逻辑单元。此外，系统还包括信号调理模块、A/D转换电路模块、D/A 转换电路模块和外部接口单元等部分组成。

　　系统采用±15 V 电源供电，选用多块电压转换芯片，提供5 V，1.8 V，3.3 V和1.2 V电压。

　　系统原理框图

　　2 信号采集和处理系统设计

　　2.1 硬件电路设计

　　激光多普勒测振计信号采集与处理系统采用核心板和底层板结合的硬件结构，核心板主要包括FPGA芯片、串行配置芯片（EPCS）、联合测试调试接口（JTAG），其通过108个引脚插针与底层板插座一一对应连接。

　　底层板电路主要包括电源转换电路、信号调理电路、A/D转换电路、D/A转换电路和串行通信转换电路。

　　电源转换电路通过7805 稳压芯片、AMS1117 稳压芯片和LM1085稳压芯片实现电源电压的转换，为系统提供5 V，1.8 V，3.3 V 和1.2 V 电压。信号调理电路模块包括两路差分放大电路，每路差分放大电路由一片的全差分音频运算放大器芯片OPA1632 构成。A/D 转换电路模块是在四通道16 位求和型模数转换芯片ADS1174、稳压芯片REF1004 以及集成运放芯片OPA350的基础上实现的，高速状态下，ADS1174芯片速度可以达到52 KSPS，并支持多通道并行处理。采用DAC8551 和REF02 稳压芯片实现D/A 转换，DAC8551是一款16 位电压输出模数转换芯片，REF02 稳压芯片为DA芯片提供2.5 V的参考电压。由于RS 232在通信领域的广泛应用，本文设计系统采用RS 232 串行方式进行通信，考虑到激光多普勒测振计信号采集与处理系统中FPGA 接口电路是TTL 电平，所以需要经过MAX3232芯片实现与RS 232标准电平的转换。硬件电路板如图2所示。

硬件电路板图

　　2.2 FPGA逻辑设计

　　在FPGA逻辑设计中，采用Altera公司的Quartus Ⅱ综合开发环境对FPGA进行设计、仿真和调试，实现信号的采集和处理功能，FPGA逻辑设计工作流程图如图3所示。

　　FPGA逻辑设计工作流程图

　　在工作过程中，FPGA首先检测是否接收到数据采集完毕的使能信号，如果没有接收到就一直进行检测，如果收到就读取16 位数据并缓存。当FIFO 接近全满状态时启动数据处理逻辑，数据处理逻辑通过一系列乘加运算结合流水线的设计方法实现，并将运算结果适当截位输出给双口RAM.双口RAM 拥有两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线，当检测到有数据输入时，读地址开始加1，否则读地址保持不变。上位机准备就绪，即双口RAM 数据准备输出时，双口RAM 写地址开始加1，通过串行接口将数据输出。在输出模拟信号时，只有当DAC8551芯片输入寄存器接收到24位数据，同时同步信号为低电平时，才能启动 D/A转换逻辑。LED显示控制系统设计是采用单片机AT89C51作为主控制器，采用LED行列阵显示及键盘同步中断请求显示的2种模式，实现串口通信并进行2种模式下的切换控制。系统成功地实现对I/O口通道控制以及键盘的中断请求等功能控制。系统仿真环境的搭建是基于Proteus与Keil μVision 3软件在联合开发平台中调试完成的。在调试的过程中，可以从多个方面直接观察程序运行情况和电路工作分析，简化了理论程序和设计实验等过程，大大减少了代码的开发周期，降低了硬件成本。

　　1 Keil μVision 3与protues简介

　　Keil μVision 3是美国Keil SOFtware公司出品的C51系列兼容单片机C语言软件开发系统，其生成目标代码的效率非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现语言的优势。

　　Proteus是英国Labcenter electonICs公司研发的电子设计自动化（EDA）系统，主要由ISIS电路设计与仿真平台、Peospite模/数混合仿真器、VSM单片机/嵌入式系统协同仿真和ARES PCB设计构成。在编译调试方面，支持Keil μVision 3和MPLAB等第三方开发工具。

　　2 系统设计

　　2.1 系统开发框架

　　LED显示控制系统设计由系统原理设计、系统代码开发、硬件电路模拟仿真、软硬件联合调试、实物移植等组成。其中，代码开发仿真模拟通过Proteus软件与Keil μVision 3软件之间相互联合仿真进行设计。系统开发设计框架如图1所示。

　　系统开发设计框图

　　2.2 硬件结构设计

　　系统硬件由单片机AT89C51系统和行列阵LED显示模块、上位机、串行显示键盘模块、晶振电路和存储器模块等构成。系统硬件结构如图2所示。

　　系统硬件模块图

　　硬件模块主要完成的功能有：显示屏的驱动，是通过与上位机间的串口通信接收文件信息并保存，通过行列驱动器控制完成LED的驱动。串行显示键盘，为实现键盘输入与显示屏输出实现同步，进行串口输出模式切换，完成对LED的驱动，但由于系统中并行口的I/O资源不够，而串行口又没有其他作用，通过用数据锁存模块74LS164来扩展并行I/O口，节约单片机资源。将AT89C51串行通信口输出的串行数据译码在其并口线上输出，将显示的数据直接送串口发送缓冲器，等待串行中断即可。

Jefferson 25 KVA, 480X120/240, 1 Ph Trans

Square D 225 Amp Main Lug I-Line Panelboard

Federal Pacific 15 KVA, 3 Ph 480X460Y/277 Transformer

GS Hevi Duty Electric 25 KVA 575X120/240 1PHTransformer

GE 150 KVA 600X277/480 Transformer, 3 Phase

Hitran 27 KVA, 3 Phase, 208 x 120/208 Transformer

Sq D 15 KVA 600X120/240 Transformer, 1 Phase

Siemens SX312A10PL10, 1600 Amp Bus Duct

Siemens R310APG, 1000 Amp Bus Duct

Siemens SX312A10PL10, 1200 Amp Bus Duct

Square D 15 KVA, 1 Ph 600X120/240 Trans

Square D 225 KVA Transformer, 3 Phase, 480 x 240 Volt

Sorgel/Square D 150 KVA Transformer, 600 x 120/208 Volt

MGM 150 KVA Transformer, 480 x 240 Volt, 3 Phase

Westinghouse 75 KVA Transformer, 600 x 120/208 Volt

REX 50 KVA 1 Phase 575x120/240 Transformer

Square D 45 KVA Transformer, 3 Phase, 480x480/277 Volt

Cutler Hammer 75 KVA Transformer, 480 x 480/277 Volt

Federal Pacific 15 KVA 3 Ph 480 X 460Y/126 DRY TRANS

General Electric 15 KVA, 3 Ph 208X120/208 Transf

Hammond 15 KVA, 480X120/208 NEMA 3R, 3 Ph Trans

Hammond 112.5 KVA,3PH 480X120/208 NEMA 3R,Trans

Hammond 45 KVA,480X120/208 NEMA 3R, 3 Ph Trans

Hammond 30 KVA,480X120/208 NEMA 3R, 3 Ph Trans

Hammond 75 KVA,480X120/208 3 ph NEMA 3R Trans

GE 45 KVA 3PH 208X120/208 Cat #9T23B3093 DRY TRANS

Cutler Hammer 30 KVA 3PH 480 X 120/208 V48M28T30EE NEW

Square D 800 Amp I-Line Main Lug Panelboard

Square D 225 Amp, NQOD Main Lug Panelboard

ITE CE3-B100, 100 Amp Cordon Circuit Breaker

ITE CE3-B020, 20 Amp Cordon Circuit Breaker

ITE CE3-B030, 30 Amp Cordon Circuit Breaker

ITE HE3-B100, 100 Amp Circuit Breaker

ITE JL3-T225 Trip Unit