基于FPGA和USB2.0的光电探测系统研究

作者:王育华;段亚军 刊名:数字技术与应用 上传者:张宇晴

【摘要】自由空间光通信已引起广泛注意。在工业和科研等领域生产过程中探测光电信号,对探测信号数据处理要求也日益严格。本文提出以FPGA芯片EP2C5Q208C8为主控芯片,利用TLC5510进行多路的、同步的模数转换,对光电信号进行数据采集,从而实现较高精度的多路光电数据采集系统设计。通过软硬件编程,该系统可以实现8路、8位有效数据位光电信号采集,经FPGA处理和USB2.0通信完成光电探测数据采集显示功能。

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1引言自由空间光通信技术近年成为通信领域研究热点。光信号数据采集日益得到重视,同时对数据采集的要求日益提高[1-3]。数据采集系统设计有两个主要要求:第一,要求接口简单灵活且有较高的数据传输率;第二,由于数据量通常都较大,要求主机能够对数据做出快速反应,并及时分析和处理。现在通用的数据采集卡一般多是建立在传统的串/并口,PCI卡。然而,传统的串/并口与PCI卡主要存在以下的缺陷:1传统的RS232串口,传输速率低,然而在实际获取和处理数据时,需要高速率,高精度,低误码,传统的串口速率远远达不到实时要求,并且布线相对复杂。2PCI卡,虽然数据采集速率高,可以满足实时要求,但是安装复杂,价格昂贵,兼容性不好,不具有普遍性。而基于FPGA(Field-ProgrammableGateArray,即现场可编程门阵列)设计,可以很大程度提高数据的采样速率和精度,降低投入成本[4-5]。目前现有的USB2.0的传输速率达到了480Mbps,足以满足大多数外设的速率要求,并且其“增强主机控制接口”(EHCI)定义了一个USB1.1相兼容的架构,可以驱动USB1.1设备。因此,在工业等方面都得到了广泛应用。本文讨论了基于FPGA和USB2.0接口的光电探测数据采集系USB模块ADCFPGAPC机信号调理显示键盘存储USB总线光电探测模块信号图1光电信号采集系统结构图图2光电探测器部分电路原理图图3系统电源电路统的设计方法,该方法充分发挥了FPGA和USB2.0的优点,解决了传统数据采集卡的缺陷,能更好的满足工业需求。2系统硬件设计光电信号采集系统框架如图1所示,由信号调理模块,光电探测模块、8位A/D转换电路ADC模块、基于FPGA的主控模块,USB数据采集与传输控制电路和接口电路等外围辅助电路组成。光电探测模块将光信号转变为电信号,信号调理后由ADC采样存储到SDRAM与EEPORM中,通过USB模块送给上位机存储、处理。2.1光信号探测空间光通信系统的接收端采用光学接收天线把信号光聚焦到光点探测器表面。850nm在大气中传播的衰减较小,可选用硅光二极管对信号光进行探测[6]。信号光受大气信道影响,到达接收端时光的功率很小,要对光信号进行放大,运放电路图如图2所示,电路运放模块可以将接收到的信号放大大约3000倍。2.2A/D转换模块及相关外围电路A/D转换电路是整个系统的重要组成部分。由低通滤波器、多路选择开关和A/D转换器组成。本文选用ADCTLC5510芯片,采样频率为20MHZ、信噪比为46dB的8位高阻抗并行模数转换器,TLC5510采用了半闪速结构及CMOS工艺,而且在高速转换的同时能够保持较低的功耗。由于TLC5510不仅具有高速的A/D转换功能,且带有内部采样保持电路,进而极大的使外围电路的设计变得简单;因为其内部有标准分压电阻,从而可以从+5V的电源获取2V满刻度的基准电压。A/D转换器将从光电探测器采集来的8位模拟光信号分别经运算放大器构成的抗混叠低通滤波器去除高频成分,以防止信号产生混叠现象。1/8路模拟信号选择器根据来自FPGA的地址码,控制模拟信号选择器选通8路输入中的1路信号到输出端,送到A/D转换器将模拟信号进行量化,然后经放大器将信号放大后,由FPGA显示、存储,通过USB模块传送给计算机。2.3主控FPGA单元主控部分基于FPGA完成数据采集卡的时序逻辑和地址译码电路的设计。上电时,FPGA芯片将EEPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。由晶体产生的48M的时钟信号,首先经过锁相环产生16M的时

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