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基于DSP+FPGA+AD9238的冲击波超压测试系统设计与实现

article 2024/11/14 1:18:43
对冲击波关键特征参数进行可靠、精确地评估是进行军事行动规划的前提和依据，
测试结果可以为战斗部设计提供参考，也可以为武器弹体材料的研发制造提供有效依据。
近年来，随着集成电子技术与软件系统取得突破性成果，冲击波测试技术获得了稳定的
发展。
2.2 测试系统的总体框架
2.2.1 系统组成
传统的数据采集系统采用单片机进行软件设计来控制 ADC 进行采集，由于冲击波
测试对系统的实时性要求比较高，基于软件控制的方法无法获得精确的时钟信号，且处
理器速度不足，因此需要采用合适的控制器进行系统设计。
冲击波测试系统需对高频信号进行高速、实时采样，对时钟和数据采集的速率都有
很高要求。现场可编程逻辑门阵列（ FPGA ）依靠硬件逻辑实现功能，速度可达专用芯片
的速率，且设计过程中可使用内部 PLL 核生成用户想要的任何时钟周期，同时 FPGA 的
硬件并行性使得其可对多通道的冲击波信号同步进行采集，故选用 FPGA 作为系统控制
器。此外 FPGA 具有可编程性，可通过硬件描述语言 Verilog 进行逻辑设计，并根据自
己的功能需求修改程序，灵活性非常高。 FPGA 在本系统中不仅起到控制作用，还通过
逻辑设计达到倍频、数据传输等功能，起到了非常关键的作用。
在 FPGA 控制 A/D 模块进行数据采集后，为使采集结果更加准确，本系统需要对结
果进行实时数据处理。目前常见的控制器如 51 、 ARM 等数据处理能力不足，且外设资
源和外部接口有限，而数字信号处理器（ DSP ）作为微处理器在结构设计上的优势使得
其在目前信号滤波等各类复杂的数据处理中具有优势。因此本文选择以 DSP 作为系统
的数据解算核心。
相较于使用单片机作为处理器，使用 FPGA 和 DSP 进行数据采集的系统可以完成对
数据高速的采集、处理和传输功能。 FPGA+DSP 系统的最大优势在于其适合于模块化设
计，同时信号处理速度快，实时性高。综上所述，为满足系统要求，设计了采用高速 ADC 、
FPGA 、 DSP 、千兆网卡等模块组成的测试系统，以实现对冲击波超压的采集和传输。
2.2.2 系统结构
本文所设计冲击波测试系统的核心由 FPGA 和 DSP 组成，包括丰富的外设资源，能
够实现对高频信号的高速、实时采样，同时具备强大的数据处理能力，系统的总体结构
如图 2-3 所示。
由图可知，该系统可实现在线与离线两种采集方式，传感器输出的信号送入 AD9238
芯片后，在 FPGA 的控制下进行模数转换，在线采集时 FPGA 控制 DDR3 SDRAM 缓存
将数据通过千兆网卡接口传输至上位机，离线采集时通过 UPP 数据总线将结果输送至
DSP 中进行处理，并将处理后的数据通过 USB2.0 、百兆网卡等接口将传输到上位机进
行进一步的处理或存储至 SD 卡。
主要包括的模块有：
（ 1 ）传感器部分：作为一种检测装置其主要作用是对冲击波超压信息进行检测。
（2） A/D 模块：将传感器采集的信号进行模数转换。
（3） FPGA 模块： FPGA 作为该测试系统同步采集的核心，主要作用是控制 A/D 模
块的双通道数据同步进行转换及 DDR3 SDRAM 、千兆网卡、 UPP 总线的逻辑控制。
（4） DSP 模块：其主要作用是接收 UPP 总线发送的信息，并对其做相应的处理，
然后把结果通过 USB 、百兆网卡接口发送出去或存储至 SD 卡中，从而减轻 FPGA 处理
器的压力。
（5）千兆网卡模块：将 DDR3 SDRAM 中缓存的数据高速传输至上位机。
2.3 主要模块的选型
2.3.1 传感器型号选择
传感器作为一种检测装置能够对外界信息进行感应，本系统所选择的传感器需要对
冲击波信号进行检测，然后将其转换为电信号输入至系统，因此传感器的性能优良直接
影响到系统的测试性能。
常见的应变式传感器固有频率高，对高频信号进行采集时采集到的数据可能会发生
畸变甚至有很大的偏差。此外冲击波测试环境复杂，爆炸产生的高温和强光易使压阻式
传感器产生漂移。故冲击波压力测试大多采用压电式传感器。
本文选用美国 PCB 公司生产的 ICP 压电式传感器进行测试，其虽对电缆的电容和噪
声要求比较高，但具有灵敏度高、固有频率高、温漂小、信噪比高等优点 [33] ，满足冲击
波测试要求。本系统选择了 102B15 、 102B16 系列的传感器。实物图如图 2-4 所示。

 

2.3.2 A/D 模块芯片选择
A/D 模块主要功能是将传感器采集到的信号进行模数转换，其精度与速度直接关系
到测试系统的采集性能，冲击波超压属高频信号，持续时间短，对该信号进行采集时需
A/D 模块的分辨率不低于 10bit，综合考虑采样精度等各项技术指标，使用亚德诺公司推
出的 AD9238 作为本测试系统的 A/D 模块， AD9238 是一款采样率可达 65M/s 的 12 位
双通道的模数转换器 [34,35] 。

2.3.3 FPGA 模块芯片选择
冲击波测试系统需对高频信号进行高速、实时采样，对时钟和数据采集的速率都有
很高要求。 FPGA 依靠硬件逻辑来实现功能，设计过程中可使用内部 PLL 核生成用户想
要的任何时钟周期，因此采用 FPGA 作为控制器。 FPGA 的逻辑功能是基于查找表 LUT
结构的，其主要优点包括：
（ 1 ）芯片功耗低。
（2） FPGA 可重复性进行编程，在硬件电路不变的情况下可根据用户需求设计不同
的软件功能，大大节省了开发成本。
（3） FPGA 的工作频率由 FPGA 芯片及设计决定，可通过修改软件设计来达到更快
的工作频率。
（4） FPGA 可并行性运算，使器件内部所有的硬件逻辑同时进行工作，满足实时处
理的要求。
经过比较和筛选，本系统选用 Xilinx 公司 Spartan-6 系列 FPGA 芯片 XC6SLX16-FTG256
用于逻辑控制。该 FPGA 成本与功耗低，其主要配置有：
2 个时钟管理单元与 Memory 控制器；
32 个 BRAM （每个 18kbit ）；
15K 逻辑资源， 18K 触发器 [36] ；
136bit 的最大分布式 RAM ；
32 个 DSP48A1 。
2.3.4 DSP 模块芯片选择
DSP 是随着集成电路和微型处理器技术发展而产生的一种用于处理生活中各种实
际信号的微型处理器件，具有极强的数字信号处理能力。本系统中 DSP 对测试系统采集
的数据进行运算和处理，缓解了 FPGA 芯片的工作负荷。由于 DSP 作为微处理器在结
构和设计上的优势使得其在目前的信号滤波等各类复杂的数据处理中具有优势 [37] 。其主
要特点有：
(1) 采用哈佛总线结构；
(2) 多种处理单元结构；
(3) 指令流水线操作；
(4) DSP 专用指令 [38] 。
目前市场上主流的 DSP 主要有美国 TI 公司的应用于控制领域的 C2000 系列；适用
于手持设备的 C5000 系列以及适合在复杂应用领域使用的高性能芯片 C6000 系列 [39] 。
由于本文设计系统需对采集到的大量冲击波超压数据进行处理，最终采用高性能 C6000
系列的 TMS320C6748 作为数据解算核心，如图 2-6 是 TMS320C6748CPU 的资源框图，
该芯片提供了丰富的内部资源以及外围设备接口，且在芯片内部引入了 UPP 高速接口
进行数据传输，满足了 FPGA 同 DSP 间进行大容量数据传输的要求，极大地提升了测
试系统双核间的数据交互能力。
2.4 系统设计原则
本文冲击波测试系统采用模块化的方式进行设计，主要包括 A/D 、 FPGA 、 DSP 和千
兆网卡模块，各模块相互独立，当其中一个模块发生问题或进行升级后可及时更换，设
计中既要考虑系统的功能及结构，也要考虑各模块间的兼容问题。设计原则主要包括以
下几点：
(1) 功能可实现原则
功能可实现原则是指冲击波测试系统的功能不仅在技术上是可行的，而且要保证其
能够适应复杂环境，能够实现对冲击波超压的稳定采集。
(2) 结构最优化原则
为方便冲击波超压测试试验，本文将采集系统的各模块制作为 10×10cm 的 PCB 板
并将其堆叠放置，大大减小了系统的占地面积，最终的系统简单便携。其 PCB 设计形状
如图 2-9 所示。
(3) 可靠性原则
由于冲击波测试环境复杂，所采集的信号易受到电磁干扰，进而对数据采集和存储
等环节产生不利影响，此外，冲击波易对系统造成破坏，使系统功能失效。系统的可靠
性是指系统能够适应冲击波试验场的恶略条件，并能够将冲击波超压可靠地采集并存储。
在对系统进行设计时，需尽可能选择可靠的元器件，此外进行 PCB 布线时，要尽量优化
布局，减小干扰误差。

参考链接：omapl138 fpga三核高速数据采集处理核心平台方案_深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA的博客-CSDN博客 


http://www.kler.cn/a/17550.html

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