基于CPLD的水下沖擊波記錄儀的設計
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隨著(zhù)大規模集成電路和單片機的迅速發(fā)展，復雜可編程邏輯器件（CPLD）具有使用靈活、可靠性高、功能強大的優(yōu)點(diǎn)，在電子產(chǎn)品設計中得到了廣泛的應用。CPLD可實(shí)現在系統編程，重復多次，而且還兼容IEEE1149.1(JTAG)標準的測試激勵端和邊界掃描能力，使用CPLD器件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，不僅可以提高系統的集成化程度、可靠性和可擴充性，而且大大縮短產(chǎn)品的設計周期。由于CPLD采用連續連接結構，易于預測延時(shí)，從而使電路仿真更加準確。CPLD是標準的大規模集成電路產(chǎn)品，可用于各種數字邏輯系統的設計。近年來(lái)，隨著(zhù)采用先進(jìn)的集成工藝和大批量生產(chǎn)，CPLD 器件成本不斷下降，集成密度、速度和性能都大幅度提高，這樣一個(gè)芯片就可以實(shí)現一個(gè)復雜的數字電路系統；再加上使用方便的開(kāi)發(fā)工具，給設計修改帶來(lái)很大方便。本文以Xilinx公司的CoolRunner系列CPLD芯片為例，實(shí)現對水下爆炸時(shí)沖擊波信號數據的記錄。
2 水下沖擊波記錄儀的組成及工作原理
2.1 功能介紹
該水下沖擊波記錄儀電路主要用于測試水下爆炸時(shí)沖擊波的強弱,通過(guò)專(zhuān)用數據處理軟件它能夠對采集到的沖擊波信號的數據進(jìn)行波形重現, 并從波形上可讀出沖擊波的壓力峰值及其上升時(shí)間和作用時(shí)間。
2.2 體系結構組成
水下沖擊波記錄儀由數據記錄器、接口、測試數據處理軟件三部分組成。數據記錄器是一個(gè)集壓力傳感器、瞬態(tài)波形記錄器、接口、電源等于一體的微型測試裝置，內置電壓放大器，直流供電，輸入信號經(jīng)放大、高速A/D轉換后實(shí)現自動(dòng)數字存儲。
2.3 工作原理
壓力傳感器的主要作用是敏感水下沖擊波的強弱，其輸出通過(guò)恒流源電路把沖擊壓力信號轉換為電壓信號。調理電路將信號轉換到模數轉換器的模擬量輸入范圍之后，由模數轉換器對其進(jìn)行采集，通過(guò)中心控制模塊對轉換后的數字信號的幅值進(jìn)行判斷并對存儲器地址進(jìn)行初始化、遞推，數字信號即被存儲。讀數時(shí)計算機通過(guò)并口發(fā)出讀數時(shí)鐘及命令，對三路存儲器進(jìn)行路選、片選并將其中的數據讀出。
記錄儀觸發(fā)方案采用負延遲內觸發(fā)：當信號幅值大于或等于傳感器輸出滿(mǎn)量程的10%時(shí)啟動(dòng)負延遲，而當信號幅值小于此值時(shí)系統處于循環(huán)采集狀態(tài),從而可以有效地防止干擾引起的誤觸發(fā)與不觸發(fā)并準確、完整地記錄整個(gè)沖擊波波形。水下沖擊波記錄儀的原理組成框圖見(jiàn)圖1。
圖1 水下沖擊波記錄儀工作原理圖
3 CPLD的應用
在本設計中主要使用Xilinx公司開(kāi)發(fā)的CoolRuner CPLD芯片完成設計。本文設計中所采用的是該系列中的XCR3256器件,可實(shí)現6000門(mén)的數字邏輯電路，內嵌256個(gè)宏單元，支持4個(gè)全局時(shí)鐘，具有低功耗、可快速I(mǎi)SP、延時(shí)可預測等特點(diǎn)。我們選用XCR3256芯片實(shí)現水下沖擊波記錄儀主控模塊,該主控模塊用于對各外圍器件的控制，協(xié)調各外圍器件的工作。外圍器件主要有電源芯片組、靜態(tài)RAM存儲器、晶體振蕩器、A/D轉換器、LED、并口等。其中晶體振蕩器包括產(chǎn)生主時(shí)鐘的12MHz晶振和產(chǎn)生延時(shí)計數時(shí)鐘的1MHz晶振。主控模塊與各外圍器件的框圖如圖2所示。
圖2 水下沖擊波記錄儀主控模塊與各外圍器件電路原理框圖
3.1 靈活性強，開(kāi)發(fā)周期短
圖2中A/D轉換器采用AD7470。它的啟動(dòng)轉換輸入端CONVST由主時(shí)鐘分頻得到且采樣頻率可編程?？删幊萄訒r(shí)電路是通過(guò)一個(gè)四路撥碼開(kāi)關(guān)對CPLD輸入不同的電平組合實(shí)現的，通過(guò)設定CPLD數字邏輯對產(chǎn)生延時(shí)計數時(shí)鐘的1MHz晶振計數，輸入不同的電平組合從而譯碼產(chǎn)生不同的延遲時(shí)間，而更改電平組合只需對記錄儀的面板操作即可。CPLD器件配以ISE開(kāi)發(fā)系統可完成設計輸入、編譯、驗證及編程,設計校驗可進(jìn)行完整的模擬, 最壞情況下的定時(shí)分析和功能測試。設計人員無(wú)需編程器就可重構數字系統,具有“硬件軟做”的特點(diǎn)。
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