文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190816
中文引用格式： 田皓文，郭世旭，朱錳琪，等. 基于FPGA的通道數可調高精度采集系統模塊化設計[J].電子技術應用，2020，46(2)：53-57，61.
英文引用格式： Tian Haowen，Guo Shixu，Zhu Mengqi，et al. Modular design of channel number adjustable and high precision acquisition system based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(2)：53-57，61.
0 引言
聲學相機是一種將空間視頻信息與聲場測量信息結合并可視化顯示的技術，主要由傳感器陣列、數據采集系統、數據處理系統三部分組成，廣泛應用于戰略軍工、工業降噪、無損檢測等領域[1-3]。目前，德國CAE公司Bionic 112 Array系列聲學相機擁有112個傳聲器陣元、24 bit的分辨率以及48 kHz的采樣率，實現了距離大于0.2 m遠場聲源的二維成像[4]；丹麥B&K也研制出了30陣元的便捷式聲學相機PULSE Reflex系列[5]。國內，其高科技基于32通道的優化曲面陣推出了高性能的KeyVES-U系列，實現了對300 kHz~12 kHz聲源的定位成像，并通過PXI總線完成數據的傳輸[6]。
聲學相機對采集系統的自噪聲非常敏感[7]，并且需要同步地獲取大量傳聲器接收到的聲學信號[8]，以及實現大帶寬下的數據傳輸[9]，因此一款高性能的聲學相機就對采集系統的采樣精度、本底噪聲、通道數量等性能指標提出了較高的要求。本文針對這一問題設計了一款基于FPGA控制的數據采集模塊，解決了不同聲學相機所需通道數不同的難題，滿足對不同種類傳聲器陣元的信號進行數據采集的需求，并且論述了該模塊的整體設計過程與擴展性分析，通過實際測試給出了采集模塊性能指標。
1 硬件設計
1.1 總體架構設計
隨著半導體工藝的發展，FPGA的性能和容量在逐年地提升，其價格和功耗卻持續降低，越來越多嵌入式儀器儀表的開發都采用了FPGA作為最優解決方案[10-12]。本次設計的采集系統主要由FPGA、采集模塊組以及千兆以太網通信三部分構成，如圖1所示。
上位機通過千兆以太網發送的命令幀格式如表1所示，數據傳輸的幀格式如圖2所示。
1.2 采集模塊設計
1.2.1 器件的選型
采集模塊中ADC芯片的選取需要考慮其轉換類型、量程、分辨率、采樣率、通道數、動態范圍、輸入輸出接口等參數[13]，表2列舉了工程中常見的幾款ADC芯片的性能指標，本次設計擇優選擇了ADI公司推出的AD7768芯片。
由于傳聲器的輸出電壓信號通常是毫伏級別，其遠遠小于ADC芯片的量程范圍，因此，需要對輸入的電壓信號進行放大處理，選取PGA芯片作為整個采集系統的輸入級，使得采集模塊的輸入阻抗大于1 GΩ，并且通過改變PGA的增益系數可靈活匹配不同種類傳聲器的信號放大需求。表3列舉了幾款常見的PGA芯片性能指標，擇優選擇了TI公司推出的PGA4311芯片，通過LTC6363芯片將PGA輸出的電壓信號完成單端轉差分的操作，以匹配了AD7768芯片的差分輸入接口。
1.2.2 可擴展性分析
采集模塊硬件構成如圖3所示，總共消耗FPGA的I/O資源數為16個。由圖2可知，單個采集模塊每個網絡包占用42 B固定包頭、4 B的幀頭、4 B的包計數以及4 B的CRC校驗，單個模塊1次采樣有32 B數據，上位機要求一個數據報中包含M個采集模塊N次同步采樣的數據，則發送一個包的時間T為：
通過硬件上增添采集模塊，并根據式(2)和式(3)調整AD采樣率fs以及單次發送的采集點數N即可實現通道數可調的功能。例如，fs設置為125 kHz，128通道同步采集(M=16)，一個數據報中包含8次采集數據(N=8)，可以求得發送時間T=33.2 μs，緩存N次的時間為64 μs，消耗I/O數量256個，滿足了通道數擴展的條件。
2 軟件設計與實現
程序流程圖如圖4所示，程序上實現了上位機與FPGA之間的千兆以太網通信、FPGA對上位機指令的響應與校驗以及采集數據高速緩存與實時上傳。
2.1 指令校驗模塊設計
FPGA通過同步于以太網時鐘信號上升沿對數據總線進行連續地判斷，該模塊的邏輯仿真波形如圖5所示，實現功能如下：
(1)識別出上位機的全局啟動指令，并將全局使能信號(en_glob)置“1”，隨后，當接收到全局停止指令后，清零全局使能信號；
(2)識別出上位機的PGA配置指令，將PGA的配置使能信號(en_pga_w)置“1”，并寄存配置信息到寄存器“pga_data”中，當PGA配置完成后將使能信號置“0”；
(3)識別出上位機的ADC寄存器配置指令，置“1”ADC的配置使能信號(en_adc_w)后寄存配置信息到寄存器“adc_addr_data”中，當ADC配置完成后清零使能信號。
2.2 PGA控制模塊
PGA4311芯片通過SPI接口實現與FPGA芯片的數據交互。對級聯的PGA芯片進行配置時，需要對第一片PGA連續進行兩次增益系數的配置，PGA通道寄存器輸入的數據L(1~255十進制)與實際增益系數K的關系如式(4)所示：
PGA控制模塊實現的功能如下：
(1)當采集系統接收到上位機發出的全局使能指令時，對所有通道寫入十六進制數“C0”，實現下位機的默認配置功能；
(2)當系統識別到上位機發送的在線修改指令時，將指定參數寫入PGA芯片，并返回等待指令狀態。
如圖6的邏輯仿真圖所示，首先，全局使能后通過兩次SPI通信完成了8個通道增益系數的默認配置，隨后，分別實現了兩次在線修改各通道增益寄存器的操作。
2.3 ADC控制模塊
AD7768芯片的數據輸出形式如圖7所示，其中“DRDY”信號的頻率代表了ADC的采樣率，FPGA根據每個“DCLK”的下降沿對“DOUT”進行讀取。
圖8為系統工作在125 kHz采樣率下，FPGA讀取單個采集模塊ADC通道7數據的實際邏輯波形圖，其中“AD_Data_Valid”信號作為FIFO的寫時鐘信號，另外，“ad_go”為后級以太網傳輸的發送使能脈沖。
2.4 千兆以太網控制模塊
千兆以太網控制模塊的主要功能如下：
(1)ARP協議獲取并緩存上位機的MAC地址與IP地址；
(2)UDP協議實現指令回饋與數據傳輸功能；
(3)通過ICMP協議實時觀測網絡連接是否暢通。
上位機發送18 B的“AA”對采集系統進行網絡抓包測試，ARP應答與指令響應功能如圖9所示；上位機通過DOS系統，輸入ping指令對ICMP協議進行測試，其結果如圖10所示。
3 性能指標
3.1 轉換精度
輸入直流電壓，并配置AD采樣率為125 kHz，PGA增益為0 dB，采集系統輸出對應電壓值V的計算如式(5)所示：
其中，VD為AD7768的輸出補碼形式，Vref為4.096 V參考電壓。采集模塊8個通道的測量結果的平均值與USB-4431采集卡所測結果進行對比以及采集模塊的轉換誤差如表4所示。
根據式(4)，設置PGA增益為20 dB與31.5 dB，采集模塊對應的轉換結果如表5所示。
3.2 自噪聲與動態范圍
將采集模塊輸入端短接至模擬地，PGA增益配置為0 dB，測量采集模塊在不同工作模式與不同采樣率下輸出的平均本底噪聲Vrms，并根據式(6)計算其動態范圍DR：
測試結果如表6所示。
上位機對采集模塊本底噪以及USB-4431采集卡的本底噪聲進行功率譜分析，對比結果如圖11所示。
3.3 上位機波形顯示
采集模塊的通道0與通道7通過信號源分別輸入頻率為5 kHz、相位差為90°、峰峰值為7 V的正弦波，且采樣率配置為125 kHz，上位機通過千兆網口實時接收采集數據，波形顯示結果如圖12所示。其中，通道0采集數據以虛線表示，通道7采集數據以實線表示。
4 結論
本文通過分析聲學相機的開發需求，對比了工程中常用的IC芯片，從低噪聲與通道數可擴展的角度研究并設計了一款由FPGA主控的數據采集系統并模塊化，詳細闡述了模塊設計過程，并給出了模塊擴展條件以及性能測試指標。對比現有的成品采集卡USB-44311，本次設計的采集模塊轉換精度更高、自噪聲更低、動態范圍更寬且易于擴展，節省了大量的開發成本，滿足了聲學相機中采集系統的開發需求。
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作者信息:
田皓文，郭世旭，朱錳琪，趙 鵬
(中國計量大學 計測工程學院，浙江 杭州310018)