數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)、參數(shù)，成為獲取系統(tǒng)工作狀態(tài)、運(yùn)行情況的非常重要的手段。近年來，各種應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能提出了更加嚴(yán)格的要求：不但要求實(shí)現(xiàn)采集關(guān)鍵信息的功能，且對(duì)采集系統(tǒng)的抗干擾能力、無用信號(hào)的剔除能力提出了很高的要求。特別是在所采集信號(hào)被無用信號(hào)覆蓋或是采集系統(tǒng)工作在具有強(qiáng)干擾的環(huán)境下時(shí)，如何從采集的數(shù)據(jù)中提取有用信號(hào)，去除干擾信號(hào)是現(xiàn)如今數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的難點(diǎn)和研究的熱點(diǎn)。基于FPGA的FIR濾波器由于具有設(shè)計(jì)靈活、速度快、增益容易控制、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為數(shù)字信號(hào)提取的一種非常重要的手段。利用其作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端信號(hào)處理，已經(jīng)是高精度和抗干擾數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的很好的實(shí)現(xiàn)方案。

1 FIR 濾波器的簡介
    有限脈沖響應(yīng)FIR(Finite Impulse Response)濾波器由于其具有良好的線性相位和極高的穩(wěn)定性，在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域得到了極為廣泛的運(yùn)用。N階FIR濾波器基本系統(tǒng)函數(shù)如式(1)：
    
一次輸出要做N次乘法和N-1次加法，所以如果用串行結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)階數(shù)N較大時(shí)，系統(tǒng)的延時(shí)就會(huì)很大。如今的數(shù)字FIR濾波器大體上可以分為基于DSP的FIR濾波器和基于FPGA的FIR濾波器：基于DSP的FIR濾波器實(shí)現(xiàn)簡單，只需要幾條簡單的語句就可以實(shí)現(xiàn)，大量運(yùn)用于數(shù)字信號(hào)處理過程中。但是由于DSP的運(yùn)算是串行的，所以不可能設(shè)計(jì)出高階快速的FIR濾波器。基于FPGA的FIR濾波器是近幾年隨著FPGA資源的急速增長而發(fā)展出來的一種新型的FIR濾波實(shí)現(xiàn)方案[2]，它具有可配置性強(qiáng)，靈活多樣，速度快，穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為工業(yè)控制和航天領(lǐng)域中FIR濾波的首選實(shí)現(xiàn)方案。
2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案
2.1 總體設(shè)計(jì)方案
    系統(tǒng)采集的模擬信號(hào)是帶有很大噪聲和正弦信號(hào)的未解調(diào)的微弱電壓信號(hào)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

     

    調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器, 將OPA2277的輸出電壓控制在0～5 V之內(nèi)，雖然加入了一個(gè)簡單的有源RC低通濾波，但是信號(hào)有用成分仍然被噪聲和疊加的高頻正弦波所覆蓋。
    放大后的電壓信號(hào)雖然幅值在0～5 V之內(nèi),但是淹沒在其中的關(guān)鍵信號(hào)卻仍然只有幾毫伏，如果用普通的低精度ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由于ADC的轉(zhuǎn)換誤差正好和關(guān)鍵信號(hào)相差不大，使得轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)中引入了相對(duì)大的誤差。即使后續(xù)濾波，得到的也是疊加了誤差的關(guān)鍵信號(hào)，無法實(shí)現(xiàn)高精度采集并解調(diào)。因此采用TI公司的24位16通道串行高精度ADC芯片ADS1258進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。電路圖如圖4所示。
    ADC的主時(shí)鐘采用FPGA主時(shí)鐘分頻后的16 MHz方波信號(hào)，選擇AIN0～AIN9通道作為模擬信號(hào)輸入，內(nèi)部采用自動(dòng)掃描方式。ADC的控制端口都接到了FPGA的通用I/O口。 ADC內(nèi)部寄存器配置數(shù)據(jù)從FPGA通過ADC的SPI口寫入。配置數(shù)據(jù)在SPI時(shí)鐘的上升沿寫入，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在SPI時(shí)鐘的下降沿讀出。內(nèi)部寄存器配置情況如表1所示。

   本系統(tǒng)的主控制器采用XILINX公司的SPARTAN3E系列的FPGA XC3S200E，這款芯片在資源上能滿足系統(tǒng)的要求，而且最重要的是在開發(fā)環(huán)境ISE 9.1以后的版本中，對(duì)于SPARTAN3E系列的芯片系統(tǒng)都自帶了功能強(qiáng)大的FIR濾波器IP核，這樣方便設(shè)計(jì)高速可靠、占用資源少的FIR濾波器。數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)使用CY7C68013，由于這方面的設(shè)計(jì)不是本系統(tǒng)的重點(diǎn)，因此不再累述。
2.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
    程序設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，區(qū)別于以往系統(tǒng)的關(guān)鍵之處就是高精度ADC的使用和創(chuàng)新性的FIR濾波的引入,使得采集系統(tǒng)具備了超高精度和強(qiáng)抗干擾的能力。
    ADS1258是一款多通道串行ADC，由于其控制方式是向其內(nèi)部寄存器寫入一定配置數(shù)據(jù)來完成A/D轉(zhuǎn)換，所以其使用較為靈活。可配置的波特率及斬波功能也使器件的性能更加突出。器件控制流程如圖5所示。

    ADC的讀寫時(shí)序特別重要，所以必須按照芯片資料將各個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的延時(shí)控制好，既不影響轉(zhuǎn)換周期也能保證結(jié)果的正確。器件上電后的218個(gè)TCLK周期的延時(shí)必須保證，否則雖然芯片也能工作，能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，但是寫寄存器命名無法使用，無法將系統(tǒng)需要的配置數(shù)據(jù)寫到各個(gè)寄存器。在系統(tǒng)開發(fā)的前期，由于忽略了這個(gè)長時(shí)間的復(fù)位時(shí)間，導(dǎo)致寫命令一直無法正確執(zhí)行，后來加上復(fù)位延時(shí)后，ADC工作正常，寄存器數(shù)據(jù)能順利寫進(jìn)去。每完成一次轉(zhuǎn)換，能從芯片SPI口讀出32位有效數(shù)據(jù)[3]，數(shù)據(jù)格式如表2所示。

    數(shù)據(jù)低24位為有效A/D數(shù)據(jù)，高8位為狀態(tài)和通道標(biāo)志位,NEW位指示通道數(shù)據(jù)是否更新，NEW=1代表通道數(shù)據(jù)相對(duì)前一次讀取已經(jīng)更新，NEW=0代表未更新，這樣通過判斷NEW的值可以防止重復(fù)讀取同樣的數(shù)據(jù)。OVF位和SUPPLY位分別指示通道端口電壓和供電電壓是否正常。CHID4～CHID0用來判定讀出的數(shù)據(jù)是屬于哪個(gè)通道。通過把不同通道的低24位數(shù)據(jù)寫入FPGA不同的存儲(chǔ)空間，為接下來的FIR濾波做準(zhǔn)備。
    FIR濾波器采用系統(tǒng)自帶的IP核來開發(fā)，這樣可以保證FIR濾波器的可靠性并大大縮短開發(fā)周期。濾波系數(shù)采用Matlab的濾波器設(shè)計(jì)工具FDATOOL來產(chǎn)生數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是超高FIR濾波器，因此系數(shù)的生成也需特別注意，并進(jìn)行一些特定的計(jì)算。下面介紹系數(shù)的生成辦法。在Matlab主界面輸入FDATOOL命令，調(diào)用FDATOOL工具并設(shè)置好濾波系數(shù)[4]。由于ADC的采樣頻率為23.7 kS/s,因此濾波器的采樣頻率必須大于23.7 kS/s，設(shè)置為50 kHz。由于需要采集的關(guān)鍵信號(hào)的頻率低于100 Hz，因此設(shè)置截止頻率為200 Hz。之后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中，得到的數(shù)據(jù)全為小數(shù)，默認(rèn)保留了小數(shù)點(diǎn)后面四位。
    由于FPGA不能直接做浮點(diǎn)運(yùn)算，因此必須將系數(shù)整型化，整型化的好壞直接影響濾波的精度[5]。當(dāng)系數(shù)整型化后的系數(shù)精度不夠時(shí),由于是200階的高階濾波，哪怕一點(diǎn)的系數(shù)誤差，都會(huì)累積起來反應(yīng)在濾波結(jié)果上。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)FIR濾波器的階數(shù)到200時(shí)，整型化濾波系數(shù)必須將FDATOOL的值乘以220以上，上文所述濾波系數(shù)其實(shí)只是截取了小數(shù)點(diǎn)后面的四位，如果只將系數(shù)乘以104，則小數(shù)點(diǎn)4位以后的值便人為忽略了，這在高階FIR設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)帶來極大誤差，造成濾波器不可用。通過觀察FDATOOL生成系數(shù)的格式，發(fā)現(xiàn)其為32位浮點(diǎn)型，其表示精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小數(shù)點(diǎn)四位。在Matlab中輸入如下命令：
    coe=Num*16777216;
    coe=round(coe);
    fid=fopen(′fir300.txt′,′wt′);
    fprintf(fid,′%d\n′,coe);
    fclose(fid);
    以上語句將系數(shù)擴(kuò)大了224倍,然后將系數(shù)取整，并以10進(jìn)制的格式保存到一個(gè)TXT文件中，通過手動(dòng)修改TXT文件內(nèi)容滿足ISE中系數(shù)文件COE的格式要求，最終將TXT文件的后綴名改為.COE[6]，至此系數(shù)文件已經(jīng)生成好了。接下來便是在ISE中調(diào)用IP核設(shè)計(jì)高階FIR濾波器，具體步驟本文不再闡述。設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)如表3所示。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    通過信號(hào)程序產(chǎn)生一路帶有很大噪聲的正弦信號(hào)輸入到FPGA進(jìn)行處理，將處理前和處理后的信號(hào)都發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行畫圖和頻譜分析，得到如圖6結(jié)果：其上半部分是輸入的帶噪聲的信號(hào)，下半部分是經(jīng)過濾波后得到的信號(hào)。
    從圖6可以看出，由FPGA設(shè)計(jì)的高階FIR濾波器良好地實(shí)現(xiàn)了有用信號(hào)的提取，輸入信號(hào)中的噪聲衰減到幾乎為零，即融入了FIR濾波器的本系統(tǒng)具有強(qiáng)抗干擾并同時(shí)解調(diào)信號(hào)的能力。圖7是濾波前和濾波后采集到信號(hào)的頻譜分析圖。

    圖7可以看出，濾波后系統(tǒng)良好地提取出了頻率為0.08 kHz的信號(hào)，而頻率為0.23 kHz、0.33 kHz、0.41 kHz的高頻干擾信號(hào)被削減到了幾乎為零,很好地實(shí)現(xiàn)了100 Hz內(nèi)的信號(hào)高精度解調(diào)。
    具有FIR濾波功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)較過去的單一采集系統(tǒng)有很大的進(jìn)步。高階FIR濾波器的引入使得本采集系統(tǒng)集抗干擾和解調(diào)信號(hào)于一體，能適用于各種具有強(qiáng)干擾或者疊加大量無用信號(hào)的數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合。
參考文獻(xiàn)
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[6] XILINX. XILINX FIR_compiler_ds534:17-35.