毕业论文（设计）基于FPGA 的多模式DFATS 无线采集节点的硬件平台研究.doc

基于FPGA的多模式DFATS无线采集节点的硬件平台研究张国义1，王卓2，何春晖3（1西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，陕西 西安 710072；2北京神州数码思特奇信息技术股份有限公司，北京 100085；391245部队，辽宁 葫芦岛 125000）摘要：针对数字化柔性装配体系（DFATS）数据采集具体应用，本文采用FPGA器件Cyclone芯片控制A/D转换芯片AD7892-1执行采样控制，在Quartus平台下执行软件编程实现正确的A/D转换的工作时序控制流程，并将采样数据编码。通过射频链路向外传输。关键词：FPGA；A/D转换；VHDL；采样控制 The Hardware Platform for FPGA-based Multi-mode DFATS Wireless Collection Nodes Guoyi ZHANG1, Zhuo WANG2, Chunhui HE3(1.The Key Laboratory of Modern Design and Integrated Manufacturing Technology, Ministry of Education, Northwestern Polytechnical University,Xi'an,710072,China;2.DigitalChina SI-TECH Information Technology Ltd., Beijing,100085,China;3.Peoples Liberation Army, Troop 91245, Huludao,125000,China)Abstract: In this paper, for the practical applications of digital flexible assembly system (DFATS) data collection, a FPGA Cyclone chip was used to control the A/D conversion chip AD7892-1 to perform data sampling control, that included executing software programming in the Quartus II Platform to implement the correct timing control of A/D conversion workflow, coding the sampling data, and transmitting the data through the radio ferquency (RF) link. 朗读显示对应的拉丁字符的拼音 字典Keywords: FPGA, A/D conversion, VHDL, data sampling control 在传统航空制造中，为了对制造过程进行检测，需要使用大规模由电缆连接在一起的传感器阵列来进行数据探测，传感器造价昂贵且能耗很高。由于数量的限制，这些传感器必须被布放在特定的位置。由于位置复杂，部署和电缆连接的工作非常困难。一般需要专门的走线系统来保证传感器被布放在准确的位置。如果使用成本很低且易于部署的无线传感器网络（WSN）来替代这种由大量昂贵设备构成的探测系统，将节约大量的成本。应用WSN相关技术提高航空器装配制造过程的数据采集能力，保证校准和连接的各个阶段测量到机身各个部分的尺寸，缩短装配时间，提高装配质量，结合自动控制技术可实现大型飞机装配部件位置姿态的精确控制。针对数字化柔性装配体系(Digital Flexible Assembly Technology System, DFATS)具体应用，课题集中研究可以延长装配制造过程WSN数字采集系统生命期和构建通用平台的一些问题，其中包括传感器节点的硬件设计。无线传感器网络WSN体系结构如图1所示，通常包括传感器节点、汇聚节点(sinknode)、外部网络和用户界面。大量传感器节点部署在感知区域(Sensorfield)内部或附近，能够通过组织构成网络，传感器节点将采集到的数据经过单跳路由到汇聚节点，再由汇聚节点通过外部网络把数据传送到处理中心进行集中处理。图 1 无线传感器网络WSN体系结构实现无线传感器节点可以用DSP/FPGA和单片机，但比较而言，FPGA有单片机和DSP不能比拟的优势。相比单片机和DSP，FPGA最大的优势是并行处理，在同一时间处理大量不同的任务，因而在涉及到复杂计算时可把DSP的一些任务卸载到FPGA中处理。FPGA的时钟频率高内部时延小，所有控制逻辑都可由硬件完成，并且速度快，组成方式灵敏，并能够集成外围控制、译码和接口电路。更最首要的是，FPGA能够采用IP内核技术，以议决承袭、共享或购置所需的知识产权内核提高其开发进度。而使用EDA工具举行设计、综合和验证，则可加快设计流程，降低开发风险，缩减了开发周期。效率高并且更能顺应市场。本数据采集系统就是基于 FPGA技术设计的模拟量、数字量采集与处置系统。FPGA的端口多，且能够自由编程、支配、定义其功用，可以配以verilogHDL言语以及芯片自带的可定制模块。同时FPGA能够利用并行结构在单个时钟周期内完成复杂算法，从而显著提高产品性能、成本、功耗、灵活性、上市时间以及产品寿命。1 采集节点硬件平台总体设计在无线应用中，Altera Cyclone III FPGA的低功耗、高密度和充足的DSP功能使设计人员可以实现无线微基站的数字IF和基带功能等。在软件无线电(SDR)应用中，Cyclone III在单个器件中集成了SDR信号处理，静态功耗低于0.5W。可看出一个显著的变化是，低成本FPGA在这些应用领域开始“代行”部分DSP职能。使用FPGA器件可以大大缩短无线采集设备的研制周期，减少开发成本，同时还可以很方便地对设计进行在线修改，因此FPGA在采集设备中有很广泛的应用。课题搭建一个多参数测量系统的数据处理平台，在FPGA中嵌入一个32位Nios II软核处理器，用于控制数据的传输、存储。主要完成了此数据处理平台硬件系统的定制及编写相应程序，以控制数据的采集、存储及显示。采用Nios II处理器为核心进行设计，可以将全部的接口电路集成在同一片FPGA上，结构简单同时，利用Nios II软核可在线配置的优点，通过软件编程改变FPGA的内部结构即可迅速、方便地实现系统性能的扩展、升级，大大缩短了系统的开发周期，提高了性价比。多参数测量系统的总体设计，一个完整的参数检测系统结构可分为三部分:前端检测电路、接口部分、数据处理平台，分别完成信号的采集、传输和信号的处理功能。图 2 无线传感器节点硬件平台FPGA内部资源划分为四大部分，如图2所示。FPGA逻辑运算中心。用来接收其它各部分的数据，并按照程序中设定的方案对所收到的数据进行相应的分析和处理。包括：对接收来自串口数字量的各种信息数据；接收A/D采样来的数据，对数据进行各种处理，如求其有效值，进行FFT分析等。A/D控制单元。主要负责控制外部A/D芯片和多路开关的选通时序，以及实现对A/D采要过程的合理控制。因为，在FPGA芯片内部，不像在单片机内部那样有丰富的外设控制资源供用户使用，要用FPGA来控制A/D采样过程的动作，必须用软件来模拟实现各种A/D控制资源。利用这些自设定的A/D控制管理资源，配以合理的软件控制时序，才能保证采样过程的顺利进行。数字量监测控制单元。负责串口数字量的状态数据的采集（如从三坐标测量仪串口和激光测距仪串口输出）。这一部分同样也需要用软件来模拟实现各种对数字量的管理控制，只有配备较完备的外设控制管理单元，整个数字量的管理控制才能正确合理地进行。FPGA接口逻辑控制单元。在FPGA内部设计了FPGA模块与无线通讯的接口单元，这占去了一定的内部资源，系统将信息通过无线传输方式将节点采集到的数据编码传输到汇聚节点。2 数据采集处理单元利用FPGA具有扩展灵活，可实现片上系统(SoC)，同时具有多种IP核可供使用等优点，设计了能够控制多路模拟开关、A/D转换、快速数据处理与传输、误差校正、传感器补偿的智能传感器系统；同时将传感器与数据采集处理控制系统集成在一起，使系统更加紧凑，提高了系统适应工业现场的能力。FPGA芯片 选用Altera的CycloneEP2C5，其逻辑单元有4608个LE，26个M4K RAM块，142个用户I/O引脚。A/D转换器 选择内含采样保持器的12位A/D转换器AD7892-1。图 3 传感器模块硬件结构设计系统中A/D转换器AD7892-1采用独立工作模式，其控制引脚设置为：CE和12/8接高电平；CS和A0接低电平。此时，AD7892-1设置为12位A/D转换，12位数据输出，其转换完全由R/C控制，如图3所示。当R/C=O时，启动12位A/D转换；当A/D转换结束时，状态信号STS=0，否则STS=1；当R/C=1时，读取12位A/D转换数据。R/C信号由FPGA芯片的DAS_RC控制。整个系统由基于FPGA的片上系统(SoC)控制。其中，FPGA芯片中的DAS_STS，DAS_RC，DAS_IN，DAS_A引脚为用户定制逻辑，即DAS控制单元的外部接口，用于控制AD7892-1的工作时序转换和AD7502的通道选择。3 处理器模块SoC结构的实现SoPC设计由CPU、存储器接口、标准外设和用户定制逻辑单元模块等组件构成。Altera的SoPCBuilder工具提供了大量IP核可供调用，可以很方便地在单片FPGA芯片上配置嵌入Nois处理器软核、片上RAM和RS 232控制器、扩展片外存储器、用户定制逻辑单元，同时自动地为系统的每个外设分配地址、连接系统总线，确定设备优先级，其内部结构如图4所示。图 4 FPGA内部功能框图的实现在细致分析系统的特点后，我们决定选择专门针对SOPC应用的Altera Excalibur开发套件。开发套件包括以下部分：l Nios处理器以及外围接口；l Quartus II开发软件；l GNDUro编译器；l 相关的开发例程。我们使用集成在 QuartusII中的SOPC Builder工具来配置生成片上系统。SOPC Builder是一个功能强大的基于图形界面的片上系统的定义和定制工具，可以在短时间内完成用户定制的SOPC设计。根据应用的需要，从SOPC Builder库中选择IP模块、存储器、外围接口和处理器，并且配置生成一个高集成度的SOPC系统，因而选取以下一些模块组成片上系统：Nios 32bit CPU、Boot Monitor ROM、Communication UART、debugging UART、Timer、Button PIO、User PIO、LCD PIO、LED PIO、DMA、SPI、Seven Segment PIO、External RAM Bus（Avalon TriState Bridge）、External RAM Interface、External Flash Interface。同时，SOPC Builder自动产生一些必需的仲裁逻辑来协调系统中以上各个部件的工作，我们将系统的工作频率设为33MHz。定制完片上系统的硬件后，SOPC Builder还为编写操作这些片上硬件的软件代码提供了一个软件开发环境，这个软件环境包括语言头文件、外围接口的驱动以及实时操作系统的内核，极大地方便了软件的开发。系统实现重点是：在CycloneEP2C5 FPGA中，使用VHDL编写控制信号驱动ADC，并且协调两者的工作；设计与nRF2401接口逻辑，使用C语言编写程序，通过SOPC Builder配置的SPI接口读写向nRF2401输出的数据。l 时钟和控制信号发生器使用Verilog编写时钟和控制信号发生器，用于产生驱动ADC的时钟和控制信号。时钟发生器的工作原理是：使用频率为33MHz的系统时钟，作为时钟发生器的输入和同步售，用于产生所需的ADC驱动的时钟和控制信号。根据系统的要求和ADC芯片特性，把ADC的时钟频率设为33MHz。ADC进行模数转换需要两个外加信号，分别是ADC_CONV和ADC_CLK。ADC_CONV信号使ADC芯片开始进行模数转换，每次进行转换前都要给ADC_CONV一个高电平；同时，转换过程和转换后的结果输出在ADC_CLK信号的同步完成。每个模拟量都通过ADC_CONV（ADC_CONV的高电平宽度为4ns），给出一个高电平启动ADC；同时，在ADC_CLK的作用下，完成模数转换过程和数字量输出。l SPI接口的编程节点通过nrf2401将采集到的数据射频发出，Nios通过SPI接口读写信号并进行相应的处理。我们通过Quartus II中的SOPC Builder为Nios核配置SPI接口。在我们的系统中，将SPI配置为从设备。软件通过访问存储器中映射的5个16位的寄存器来控制和读写SPI接口。读入的数据通过MOSI引脚逐位进入移位寄存器。通过移位寄存器的移位和缓冲后，一帧数据进入寄存器rxdata，同时将状态寄存器的rrdy位置 1，通过访问rxdata就得到一帧数据。数据被读取后，rrdy位自动置回0。如果前一帧数据还未从rxdata读取，后一帧数据就会将原数据覆盖，造成错误，同时将状态寄存器的ROE（Read Overwrite Error）位置成1。SPI接口共有4个引脚，分别是MISO（Master Input Slave Output）、MOSI（Master Output Slave Input）、SCLK（同步时钟）和SS_n。当SS_n为低电平时，从设备可以在SCLK同步作用下读入数据。系统中的SPI接口是从设备，所以只使用MOSI、SCLK和SS_n三根引脚。4 数据采集控制单元的实现数据采集系统(DAS)控制单元是整个系统的核心，其输入端口及其功能：DAS_STS用于接收AD7892-1的STS状态信号；DAS_IN(12位)用于接收AD7892-1并行12位转换输出；CLK，RST用作系统时钟和RESET的信号。输出端口DAS_RC接AD7892-1的R/C端，用以控制A/D转换器的启动和读数；DAS_A用作控制AD7502的A1A0通道选通信号；DAS_OUT(加通道的序号为16位)用作DAS控制单元的16位输出数据。DAS控制单元的有限状态机(FSM)有4个状态，分别为St0，St1，St2，St3。St0为选择通道，启动A/D转换，进入St1状态；St1为等待转换结束，若转换结束，进入St2状态，否则保持在St1状态；St2为发出读数据信号，进入St3状态；St3为输出转换数据；选择其他通道，返回St0状态。DAS控制单元采用VHDL语言进行开发，程序的部分代码如下所示：DAS控制单元的仿真如图5所示。图中显示控制单元运行正确。图 5 DAS控制单元的仿真5 无线传输单元本系统采用24GHz无线单片收发芯片nRF2401，它具有体积小、功耗低，外设少的特点，非常适合于无线传输应用系统。nRF2401可以由SPI接口与FPGA连接，通过这个接口完成设置和收发数据工作。nRF2401功能强大且使用简便，只需利用SPI接口的3条信号线：DATA、CLK1、CS便可对其进行配置。4种不同工作模式的控制也只需使用PWR_UP、CE、CS三个引脚。其工作模式为：收发模式、配置模式、空闲模式和关断模式。 为了降低功耗，系统平时处于空闲模式，通过FPGA监测接受到汇聚节点信号，一旦检测到有汇聚节点信号，FPGA便进入正常工作模式，并接收与判别来自汇聚节点信号数据，若判别出数据汇聚节点信号为收发指令，FPGA便通过输出高电平到nRF2401的PWR_UP引脚激活nRF2401，通过设置CE与CS来选择nRF2401的工作模式。FPGA将给数据传输给nRF2401。nRF2401对数据进行调制并向外发送后，立即进入接收模式，FPGA内接口逻辑如下图6。图 6 FPGA和nRF2401接口软件编程的基本思路是：先对nRF2401控制端口初始化；使能SPI、UART端口，使能ADC，对nRF2401芯片初始化；开启接收机后，就可以运行任务程序了，以实现接收或发送数据。nRF2401有4种工作模式：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三个引脚决定。对nRF2401的操作主要是配置其工作方式和读写数据，所有配置命令字和数据都是通过同步串行口的CLK和DATA两个引脚完成的。要将nRF2401设置于ShockBurstTM方式，首先使PWR_UP引脚为高电平，CE引脚为低电平。配置字从最高位开始，依次送入nRF2401，CLK下降沿锁定数据。配置命令字发送完后，在CS的下降沿按新配置字的设置开始工作。使用nRF2401进行发送数据时，采用以下的步骤：1)CE置高，使nRF2401开始工作；2)逐位写入接收机的地址；3)逐位写入要传送的数据；4)CE置低，激发nRF2401进行ShockBurstTM发射。nRF2401的ShockBurstTM发射过程是：给射频前端供电，射频数据打包(加字头、CRC校验码)，高速发射数据包，发射完成，nRF2401进入空闲状态。nRF2401的接口模块引脚包括CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1)，接收端依照以下流程进行数的接收：1)配置本机地址和即将接收的数据包大小；2)进入接收状态，CE置高；3)200s后，nRF2401进入监视状态，等待数据包的到来；4)当接收到正确的数据包时，nRF2401自动除去字头、地址和CRC；5)nRF2401通过把DR1(可用作中断信号)置高来通知微控制器；6)微控制器把数据从nRF2401逐位移出；7)所有数据移完，nRF2401把DR1置低，此时如果CE为高，则等待下一个数据包，如果CE为低，开始其他工作流程。程序中用到的部分代码如下： 考虑到通信的可靠性，数据在底层无线传输中需要增加必要的协议规范。设计中对有效数据进行打包，格式为：前导码、地址、有效数据载荷、校验码。6 结论无线传感器网络系统提供了一种全新的数据采集模式，它将带动针对飞机制造数字化柔性装配制造技术领域新的重大变革。基于FPGA和NRF2401的无线传感器网络节点设计在实验中表现出比较好的效果，可以实现监测设备信号的采集传输与处理。但是由于射频信号多径效应的原因，传输信号的质量和距离会有不同程度的影响，这些问题都有待更深入的研究。作者介绍：张国义（1974- ），男，汉族，工程师 ，西北工业大学博士研究生，从事航天测控技术及工业现场数据采集技术研究通信地址：北京9200信箱74分箱17号 联系电话：68758600参考文献1 邹方,张书生.飞机总装自动化校准对接系统J.航空制造技术.2008年7期2 陈涤.网络化测控系统中WSN几个关键问题的研究D.山东大学博士学位论文.20073 汤少维.基于FPGA控制的高速数据采集系统设计与实现D.电子科技大学硕士学位论文.20074 李云.超高速高精度并行ADC系统设计与实现J.微计算机信息.2008，7-2：307-3095 谭安菊，龚彬.USB2.0控制器CY7C68013与FPGA接口的Verilog HDL实现J.电子工程师.2007，7：52-556 袁江南.基于USB2.0与FPGA技术的高速数据采集系统的设计J.电子技术应用.2007，7：116-1187 FPGA在智能压力传感器系统中的应用设计J/OL. ( 2010/5/24 15:56 )Editor's note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the world's first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, I've still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, you'd hear my foot tapping rapidly under my desk. I'm anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.It's like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line "we" would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and "capcom" (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, "Fearless Felix" will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, he'll be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes it's not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it won't. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way I'd miss this.