基于FPGA的多路脉冲信号同步测量技术研究

摘要

多路随机脉冲信号同步测量技术对于工业和航天领域具有很重要的意义,长期以来,多路随机脉冲信号的同步测量一直存在测量路数少、同步困难、适用性差的问题。针对这些问题,本文提出了一种基于FPGA的多路脉冲信号同步测量设计方案,其中包括多路脉冲信号源的设计,波形记录模块的设计以及上位机软件的设计。波形记录模块具有输入输出I/O端口多、可编程设计、设计方式灵活、稳定性强的特性,更为重要的是FPGA模块化的设计方式能够真正实现多路脉冲信号的同步测量,不会出现延迟测量问题。
　　波形记录模块可以同时测量32路随机脉冲信号的边沿达到时刻与脉冲宽度,并且可以很容易的实现更多路的并行扩展。以任意一路信号的第一个信号跳变沿作为开始计时的零点,然后启动32路信号同步测量机制,记录后续各路脉冲信号跳变沿的达到时刻、对应的通道号以及电平的高低状态。
　　波形记录模块包括信号调理电路和FPGA信号采集与处理模块。信号调理电路主要用于信号的整形和光耦隔离,用于较小畸变信号的整形和较大幅值信号的光耦隔离。FPGA信号采集与处理模块具有抗干扰滤波、边沿检测、波形记录、FIFO存储以及异步串行传输等功能。抗干扰滤波采用有限状态机的软件设计方式,可以有效的滤除测量环境中的各种干扰,如串入系统的高频干扰以及设备内部继电器和开关切换时造成的抖动干扰。边沿检测模块能够识别信号的边沿变化,波形记录机制用于记录波形信息和编帧。记录和编帧后的数据先存储在FIFO里面,FIFO用于暂存不能及时读取的数据,避免数据的丢失。串行控制模块采用轮询的方式查询FIFO里面的数据,然后通过串行总线传输到上位机。
　　设计了完整的上位机操作软件,用于配合波形记录模块同时工作。上位机采用了LabVIEW图形化编程语言设计,具有滤波时间在线可配置、解帧、显示、存储等功能。
　　为了验证设计方案的正确性,采用飞思卡尔单片机MC9S12XDP512作为多路脉冲信号源,模拟无干扰和有干扰情况下的多路脉冲信号的同步发送。
　　经过实验验证,波形记录模块可以实现32路随机脉冲信号的同步测量,能够实现抗干扰滤波功能,最大采集数据量160帧/秒,即平均每秒每路信号的跳变沿不能超过5次,否则会发生溢出。在不大于30分钟的测试条件下,最大误差不超过20ms。在此基础上,又通过线性最小二乘拟合方法对测量误差进行了补偿,实验结果表明,测量精度得到了进一步的提高。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及来源

1.2课题研究目的与意义

1.3国内外研究现状

1.4本文主要研究内容

第2章 总体方案设计

2.1总体设计指标

2.2方案设计的论证与分析

2.3测试系统方案设计

2.4本章小结

第3章 波形记录模块设计与实现

3.1信号调理电路设计与实现

3.2 FPGA信号采集与处理模块设计与实现

3.3波形记录模块的外围电路设计

3.4本章小结

第4章 上位机软件设计与实现

4.1 LabVIEW编程环境

4.2系统软件组成

4.3系统功能模块设计

4.4人机界面

4.5本章小结

第5章 实验结果与误差分析

5.1多路信号源的设计与实现

5.2实验调试

5.3误差分析

5.4误差补偿与分析

结 论

参考文献

附录I

附录II

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致谢