FPGA在激光測(cè)距機(jī)電路檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言
針對(duì)部隊(duì)各類激光測(cè)距機(jī)的維修保障，我所研制出了一套便攜式激光測(cè)距機(jī)電路檢測(cè)儀，能實(shí)現(xiàn)對(duì) 85手持式、 88式、88對(duì)海式等五類激光測(cè)距機(jī)電路系統(tǒng)的快速檢測(cè)和維修指導(dǎo)，極大地提高了維修效率。由于要完成對(duì)光信號(hào)的接收和處理，測(cè)距機(jī)的電路系統(tǒng)涉及到許多窄脈寬信號(hào)，而且具有嚴(yán)格的信號(hào)時(shí)序。其中的 AGC信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)等脈寬均只有幾十個(gè) uS，主波和回波信號(hào)的脈寬均只有 1～2uS，信號(hào)時(shí)間間隔精確到 nS級(jí)，為信號(hào)檢測(cè)增加了難度；同時(shí)，電路系統(tǒng)的控制信號(hào)繁多，各類裝備的接口各異，這些都為檢修儀的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，僅采用傳統(tǒng)的單片機(jī)和常規(guī) IC難以實(shí)現(xiàn)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，CPLD和 FPGA等可編程邏輯器件在結(jié)構(gòu)、工藝、集成度、功能、速度和靈活性等方面都有了很大的改進(jìn)和提高，從而為高效率、高質(zhì)量、靈活地設(shè)計(jì)嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)提供了可能。可編程邏輯器件的加密功能也使產(chǎn)品開發(fā)者的權(quán)利得到保障。因此，本文基于 FPGA邏輯器件設(shè)計(jì)了激光測(cè)距機(jī)的電路檢測(cè)系統(tǒng)。
2檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成 脈沖信號(hào)
通信MCU 數(shù)據(jù)采集處理

如圖 1所示，檢測(cè)系統(tǒng)由 MCU數(shù)據(jù)處理、 FPGA及其配置器件、被測(cè)信號(hào)調(diào)理、激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)適配、液晶顯示等功能模塊組成。其工作原理是： MCU根據(jù)用戶操作向 FPGA發(fā)送測(cè)試相應(yīng)命令， FPGA模塊產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，為被測(cè)電路提供工作時(shí)序，采集電路信號(hào)測(cè)量其特征參量，并將測(cè)試結(jié)果傳送給 MCU，MCU處理測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行故障分析判斷，并在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示測(cè)試波形和數(shù)據(jù)信息?？梢?， FPGA是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，整合了與 MCU的通信、測(cè)試命令的解釋及決策、測(cè)試激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生和輸入信號(hào)檢測(cè)等功能。
通過對(duì)檢測(cè)對(duì)象中所有被測(cè)信號(hào)的分析，根據(jù)測(cè)試功能、處理速度和芯片容量的需求，本檢測(cè)系統(tǒng)中FPGA芯片選用 ALTERA公司Cyclone系列的EP1C3T144。該器件采用 0.13um工藝制造、TPFQ封裝，擁有104個(gè)I/O口和2910個(gè)邏輯單元，可直接由外部晶振提供 100MHz的時(shí)鐘輸入，也可經(jīng)片內(nèi) PLL倍頻，工作在更高的頻率。采用 Verilog HDL硬件描述語言來實(shí)現(xiàn) FPGA各功能模塊，然后通過 EDA開發(fā)平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，最后對(duì) FPGA芯片進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。FPGA的配置采用了專用配置芯片 EPCS1，用 ByteBlaster II對(duì)其進(jìn)行下載編程。
3 FPGA功能模塊劃分及實(shí)現(xiàn)
在 FPGA的功能實(shí)現(xiàn)上，首先構(gòu)建整體方案，然后劃分功能模塊，再針對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行編程、波形仿真，最后進(jìn)行整體功能的仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。根據(jù)上節(jié)分析，可將 FPGA的作用分成 SPI通信接口、命令解釋與決策、時(shí)鐘分頻、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生、電路信號(hào)測(cè)試等功能模塊，如圖 2所示。