基于赛灵思FPGA的空间电场信号采集系统的设计和实现

码：A／D控制程序、例化FIR的IP核产生数字滤波器、同步422发送程序。FPGA内部的工作流程图如图2所示。

　　
图2 FPGA内部工作流程

　　2.1 FPGA对AD1610采样的控制

　　当不使用ADS1610的时候，可以把nPD引脚置低，这样就关掉了ADS1610的电源，在设计中将nPD引脚置高。ADS1610为并行数据传输，在数据准备就绪之后，需要保持时间来确保上一组数据有效，经过建立时间之后开始接收下一组数据，时序图如图3所示。

　　
图3 ADS1610工作时序图

　　引脚nSYNC可以用来同步多片．ADS1610，单片设计时为复位引脚，这里设计不采用多片同步，将nSYNC置低时，ADS1610是异步复位的。当复位的时候，所有的数字电路清零，16位输出引脚DOUT［15：0］被全部置为低，而数据就绪引脚nDRDY被置为高。在程序的设计中，nSYNC在时钟信号的下降沿拉高，则nDRDY在接下来的第二个时钟上升沿拉低。

　　2.2 数字滤波器的实现

　　借助Matlab中的滤波器设计和分析工具FDATool，其操作简单、灵活，用户只需在GUI中输入设计需要的滤波器各项参数，就可以获得需要的数字滤波器。本设计中共划分为4个频段：0～100 Hz，100 Hz～10 kHz，10～100 kHz，100 kHz～1 MHz，经实验发现，频带宽度过大的带通滤波器性能不是很理想，通带内幅度并不平坦，失真较大。因此除了第一个频段采用低通滤波器外，另外三个频段采用低通滤波器+高通滤波器的方法来实现，如频带为100 Hz～10 kHz可以用截止频率为10 kHz的低通滤波器和100 Hz的高通滤波器相加得到。将生成的FIR滤波器系数．coe文件导入4个Xilinx ISE中的IP核中，分别例化生成四个FPGA片内的数字滤波器，对X，Y，Z三个方向采集到的电场信号进行频段的划分。

　　2.3 同步422

　　将X，Y，Z每个方向的各个通道的滤波后的信号，加上包头、时间码、通道号、校验码之后通过422芯片DS26LV31AT、发送给后端的设备。主要包括两个子模块：波特率产生模块和发送模块。

　　波特率产生模块：系统外接18．432 MHz晶振，用来产生同步422通信所需要的115 200 b／s的波特率。本模块采用10 MHz时钟。波特率的计算：（1／115 200）／（1／1×107）=86个系统时钟周期，为得到50％占空比的波特率时钟，使得计数器在计数到86／2=43时将输出置高，之后在计数到86时将输出置低并重新计数，就可实现所需波特率的时钟；发送模块：采用状态机进行编写，由五个状态（IDLE，WAIT，STAR T，SHIFT，STOP）和一个进程组成。

　　3 系统实现

　　本设计系统硬件设计采用Altium Designer 6．0绘制原理图和PCB图，FPGA程序设计则是在Xilinx ISE 11和Modelsim SE 6．5e平台上设计和仿真，滤波器系数则是在Matlab中的FDA tools工具箱中生成并导入ISE中的有限脉冲响应的知识产权核中。

　　
图4 采样频段方框图

　　在系统的输入端加入-3～3 V的模拟输入电压进行测试，进行FPGA片上数据采集处理实验，在每个模块的输出端添加测试焊点，方便逐步调试。系统设计框图如图4所示，根据后端收到的实验数据对比可知，本系统设计完成了设计要求。

　　4 结语

　　本文提出的基于FPGA的空间电场信号采集系统应用于探空火箭有效载荷——箭载电场仪探头后端信号采集与处理部分，也可以为地面电场仪处理电场信号提供服务。该方案解决了电场信号采集系统设计要求，避免了模拟滤波电路易受温度、噪声等影响，硬件电路大大简化，可调适性好。经过实践证明本设计方法设计正确，减轻了设计者对于庞大模拟电路的设计负担，系统运行稳定可靠，可移植性强，可用于多种数据采集电路的设计，有一定的参考价值。