超聲波隨鉆井徑檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集與傳輸

在本部分設(shè)計(jì)中，考慮到實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)四個(gè)換能器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，為了區(qū)別各個(gè)換能器的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)時(shí)在串轉(zhuǎn)并的過程中人為添加了四位數(shù)據(jù)作為標(biāo)志位。為了使AD的采樣率、FPGA中串轉(zhuǎn)并的速率以及FIFO的寫速率保持一致，F(xiàn)IFO的寫時(shí)鐘采用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)AD的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘計(jì)數(shù)獲得。每當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘SCLK的下降沿到來時(shí)計(jì)數(shù)器加1，計(jì)數(shù)器從零到13循環(huán)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器每循環(huán)一個(gè)周期就提供一個(gè)寫時(shí)鐘上升沿(寫時(shí)鐘上升沿有效)，使FIFO完成一次寫操作。在AD正常工作時(shí)，第一個(gè)時(shí)鐘下降沿會(huì)輸出兩個(gè)前導(dǎo)零，然后從第二個(gè)時(shí)鐘下降沿開始依次從高位到低位輸出12位有效的數(shù)據(jù)，并在第13個(gè)下降沿完成最后一位數(shù)據(jù)的輸出，最后在之后的上升沿返回跟蹤模式。因此，在串轉(zhuǎn)并時(shí)，要從第二個(gè)時(shí)鐘下降沿開始。
2．2 FIFO的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
FIFO的主要功能是實(shí)現(xiàn)不同時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸。FIFO分為同步FIFO和異步FIFO，本設(shè)計(jì)中采用的是異步FIFO，涉及到的主要參數(shù)包括FIFO的深度，F(xiàn)IFO的讀、寫時(shí)鐘，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的寬度和讀、寫指針等?？紤]到AD采樣速率為2．5 MHz，每次開始轉(zhuǎn)換后持續(xù)的時(shí)間大約為600 μs，因此，F(xiàn)IFO需要緩存的數(shù)據(jù)大約為1 500個(gè)，Actel公司的APA075中有12個(gè)256X9的RAM空間，最多能緩存1 536個(gè)16位的數(shù)據(jù)。
為了保險(xiǎn)起見，F(xiàn)IFO的深度設(shè)計(jì)成1 536，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，F(xiàn)IFO的寬度設(shè)計(jì)成16位，寫時(shí)鐘頻率和AD采樣頻率保持一致，讀時(shí)鐘頻率和串口傳輸速率保持一致。同時(shí)，為了防止數(shù)據(jù)溢出或讀取無效的數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO的設(shè)計(jì)采用了空滿標(biāo)志位。當(dāng)FIFO寫滿時(shí)，滿標(biāo)志位置1，禁止繼續(xù)向FIFO中寫入數(shù)據(jù)：當(dāng)FIFO為空時(shí)，禁止從FIFO中繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)?？諠M標(biāo)志的準(zhǔn)確判斷是FIFO設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中采用了列舉的算法實(shí)現(xiàn)空滿標(biāo)志的判斷。FIFO寫滿有以下兩種情況：第一，寫指針加1等于讀指針，并且寫使能有效，再繼續(xù)寫操作時(shí)，F(xiàn)IFO就為滿，滿標(biāo)志位置1；第二，寫指針加1等于FIFO的深度并且讀指針為零，再繼續(xù)寫操作時(shí)，F(xiàn)IFO就為滿，滿標(biāo)志位置1。與滿標(biāo)志情況類似，F(xiàn)IFO讀空也有以下兩種情況：第一，讀指針加1等于寫指針，再繼續(xù)讀操作時(shí)，F(xiàn)IFO就為空，空標(biāo)志位置1；第二，讀指針加1等于FIFO的深度并且寫指針為零，再繼續(xù)讀操作時(shí)，F(xiàn)IFO就為空，這時(shí)，空標(biāo)志位置1。
2. 3 串口發(fā)送的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
串口發(fā)送模塊負(fù)責(zé)把處理后的數(shù)據(jù)從FIFO中讀出，將其按通信協(xié)議傳送給MAX232完成電平轉(zhuǎn)換后送給PC機(jī)。發(fā)送數(shù)據(jù)采用的波特率是9 600，數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。

本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)幀格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，沒有奇偶校驗(yàn)位，本設(shè)計(jì)采用連續(xù)兩次發(fā)送來解決發(fā)送16位數(shù)據(jù)的問題。為了保持讀FIFO的速率與發(fā)送數(shù)據(jù)的速率一致，F(xiàn)IFO的讀時(shí)鐘根據(jù)串口發(fā)送一個(gè)完整數(shù)據(jù)的速度來確定。

3 測(cè)試結(jié)果
在實(shí)驗(yàn)室自制的最小系統(tǒng)板上，模擬換能器給AD提供一個(gè)250 kHz的正弦信號(hào)，在上位機(jī)串口調(diào)試小助手上接收到的數(shù)據(jù)運(yùn)用Matlab畫出的圖形如圖5所示。圖5中，縱坐標(biāo)是幅值，橫坐標(biāo)是所取點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

4 結(jié)語
可以看出，本設(shè)計(jì)中每個(gè)周期的正弦波包含有10個(gè)點(diǎn)。由于我們輸入的是250 kHz的正弦波，AD采樣頻率是2．5 MHz，通過理論計(jì)算，每個(gè)周期應(yīng)該包含的點(diǎn)數(shù)為2．5 MHz／250 kHz=10，可見設(shè)計(jì)與實(shí)際測(cè)試的結(jié)果相符。另外，從測(cè)試結(jié)果圖中還可以看出，其幅值與所給的幅值也相符，測(cè)試結(jié)果也表明了該設(shè)計(jì)的合理性。