文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190816
中文引用格式： 田皓文，郭世旭，朱锰琪，等. 基于FPGA的通道数可调高精度采集系统模块化设计[J].电子技术应用，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
声学相机是一种将空间视频信息与声场测量信息结合并可视化显示的技术，主要由传感器阵列、数据采集系统、数据处理系统三部分组成，广泛应用于战略军工、工业降噪、无损检测等领域[1-3]。目前，德国CAE公司Bionic 112 Array系列声学相机拥有112个传声器阵元、24 bit的分辨率以及48 kHz的采样率，实现了距离大于0.2 m远场声源的二维成像[4]；丹麦B&K也研制出了30阵元的便捷式声学相机PULSE Reflex系列[5]。国内，其高科技基于32通道的优化曲面阵推出了高性能的KeyVES-U系列，实现了对300 kHz~12 kHz声源的定位成像，并通过PXI总线完成数据的传输[6]。
声学相机对采集系统的自噪声非常敏感[7]，并且需要同步地获取大量传声器接收到的声学信号[8]，以及实现大带宽下的数据传输[9]，因此一款高性能的声学相机就对采集系统的采样精度、本底噪声、通道数量等性能指标提出了较高的要求。本文针对这一问题设计了一款基于FPGA控制的数据采集模块，解决了不同声学相机所需通道数不同的难题，满足对不同种类传声器阵元的信号进行数据采集的需求，并且论述了该模块的整体设计过程与扩展性分析，通过实际测试给出了采集模块性能指标。
1 硬件设计
1.1 总体架构设计
随着半导体工艺的发展，FPGA的性能和容量在逐年地提升，其价格和功耗却持续降低，越来越多嵌入式仪器仪表的开发都采用了FPGA作为最优解决方案[10-12]。本次设计的采集系统主要由FPGA、采集模块组以及千兆以太网通信三部分构成，如图1所示。
上位机通过千兆以太网发送的命令帧格式如表1所示，数据传输的帧格式如图2所示。
1.2 采集模块设计
1.2.1 器件的选型
采集模块中ADC芯片的选取需要考虑其转换类型、量程、分辨率、采样率、通道数、动态范围、输入输出接口等参数[13]，表2列举了工程中常见的几款ADC芯片的性能指标，本次设计择优选择了ADI公司推出的AD7768芯片。
由于传声器的输出电压信号通常是毫伏级别，其远远小于ADC芯片的量程范围，因此，需要对输入的电压信号进行放大处理，选取PGA芯片作为整个采集系统的输入级，使得采集模块的输入阻抗大于1 GΩ，并且通过改变PGA的增益系数可灵活匹配不同种类传声器的信号放大需求。表3列举了几款常见的PGA芯片性能指标，择优选择了TI公司推出的PGA4311芯片，通过LTC6363芯片将PGA输出的电压信号完成单端转差分的操作，以匹配了AD7768芯片的差分输入接口。
1.2.2 可扩展性分析
采集模块硬件构成如图3所示，总共消耗FPGA的I/O资源数为16个。由图2可知，单个采集模块每个网络包占用42 B固定包头、4 B的帧头、4 B的包计数以及4 B的CRC校验，单个模块1次采样有32 B数据，上位机要求一个数据报中包含M个采集模块N次同步采样的数据，则发送一个包的时间T为：
通过硬件上增添采集模块，并根据式(2)和式(3)调整AD采样率fs以及单次发送的采集点数N即可实现通道数可调的功能。例如，fs设置为125 kHz，128通道同步采集(M=16)，一个数据报中包含8次采集数据(N=8)，可以求得发送时间T=33.2 μs，缓存N次的时间为64 μs，消耗I/O数量256个，满足了通道数扩展的条件。
2 软件设计与实现
程序流程图如图4所示，程序上实现了上位机与FPGA之间的千兆以太网通信、FPGA对上位机指令的响应与校验以及采集数据高速缓存与实时上传。
2.1 指令校验模块设计
FPGA通过同步于以太网时钟信号上升沿对数据总线进行连续地判断，该模块的逻辑仿真波形如图5所示，实现功能如下：
(1)识别出上位机的全局启动指令，并将全局使能信号(en_glob)置“1”，随后，当接收到全局停止指令后，清零全局使能信号；
(2)识别出上位机的PGA配置指令，将PGA的配置使能信号(en_pga_w)置“1”，并寄存配置信息到寄存器“pga_data”中，当PGA配置完成后将使能信号置“0”；
(3)识别出上位机的ADC寄存器配置指令，置“1”ADC的配置使能信号(en_adc_w)后寄存配置信息到寄存器“adc_addr_data”中，当ADC配置完成后清零使能信号。
2.2 PGA控制模块
PGA4311芯片通过SPI接口实现与FPGA芯片的数据交互。对级联的PGA芯片进行配置时，需要对第一片PGA连续进行两次增益系数的配置，PGA通道寄存器输入的数据L(1~255十进制)与实际增益系数K的关系如式(4)所示：
PGA控制模块实现的功能如下：
(1)当采集系统接收到上位机发出的全局使能指令时，对所有通道写入十六进制数“C0”，实现下位机的默认配置功能；
(2)当系统识别到上位机发送的在线修改指令时，将指定参数写入PGA芯片，并返回等待指令状态。
如图6的逻辑仿真图所示，首先，全局使能后通过两次SPI通信完成了8个通道增益系数的默认配置，随后，分别实现了两次在线修改各通道增益寄存器的操作。
2.3 ADC控制模块
AD7768芯片的数据输出形式如图7所示，其中“DRDY”信号的频率代表了ADC的采样率，FPGA根据每个“DCLK”的下降沿对“DOUT”进行读取。
图8为系统工作在125 kHz采样率下，FPGA读取单个采集模块ADC通道7数据的实际逻辑波形图，其中“AD_Data_Valid”信号作为FIFO的写时钟信号，另外，“ad_go”为后级以太网传输的发送使能脉冲。
2.4 千兆以太网控制模块
千兆以太网控制模块的主要功能如下：
(1)ARP协议获取并缓存上位机的MAC地址与IP地址；
(2)UDP协议实现指令回馈与数据传输功能；
(3)通过ICMP协议实时观测网络连接是否畅通。
上位机发送18 B的“AA”对采集系统进行网络抓包测试，ARP应答与指令响应功能如图9所示；上位机通过DOS系统，输入ping指令对ICMP协议进行测试，其结果如图10所示。
3 性能指标
3.1 转换精度
输入直流电压，并配置AD采样率为125 kHz，PGA增益为0 dB，采集系统输出对应电压值V的计算如式(5)所示：
其中，VD为AD7768的输出补码形式，Vref为4.096 V参考电压。采集模块8个通道的测量结果的平均值与USB-4431采集卡所测结果进行对比以及采集模块的转换误差如表4所示。
根据式(4)，设置PGA增益为20 dB与31.5 dB，采集模块对应的转换结果如表5所示。
3.2 自噪声与动态范围
将采集模块输入端短接至模拟地，PGA增益配置为0 dB，测量采集模块在不同工作模式与不同采样率下输出的平均本底噪声Vrms，并根据式(6)计算其动态范围DR：
测试结果如表6所示。
上位机对采集模块本底噪以及USB-4431采集卡的本底噪声进行功率谱分析，对比结果如图11所示。
3.3 上位机波形显示
采集模块的通道0与通道7通过信号源分别输入频率为5 kHz、相位差为90°、峰峰值为7 V的正弦波，且采样率配置为125 kHz，上位机通过千兆网口实时接收采集数据，波形显示结果如图12所示。其中，通道0采集数据以虚线表示，通道7采集数据以实线表示。
4 结论
本文通过分析声学相机的开发需求，对比了工程中常用的IC芯片，从低噪声与通道数可扩展的角度研究并设计了一款由FPGA主控的数据采集系统并模块化，详细阐述了模块设计过程，并给出了模块扩展条件以及性能测试指标。对比现有的成品采集卡USB-44311，本次设计的采集模块转换精度更高、自噪声更低、动态范围更宽且易于扩展，节省了大量的开发成本，满足了声学相机中采集系统的开发需求。
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作者信息:
田皓文，郭世旭，朱锰琪，赵 鹏
(中国计量大学 计测工程学院，浙江 杭州310018)