基于CPLD内置UFM的嵌入式加速度采集系统

木纹铝扣板张相田;王珂;初晓峰

防火拉链【摘要】介绍了一种基于CPLD内置UFM(user flash memory)的嵌入式加速度数据采集系统,并给出了各个功能模块的实现方法.整个采集系统主要包括电荷放大器模块、信号调理模块、A/D转换模块、CPLD控制模块和电源模块.整个系统以EPM570T100C5为核心,由该CPLD控制A/D芯片MAX1311进行模数转换并根据相应的时序操作把转换到的数据存储到内置的UFM里.在设计电路板时,采用MAX Ⅱ CPLD来合并逻辑和存储器(UFM),从而缩短了芯片至芯片延时,减小了电路板面积,降低了系统总成本.该系统可以稳定实现300k的采样速率,可以嵌入到设备内部进行加速度以及各种冲击信号的检测.%The article introduces the acceleration data acquisition system based on the user flash memory,which is built into the CPLD and gives out the realization method of the various functional modules.This system includes a charge amplifier module,signal conditioning modules,A/D coverter module,CPLD control module and power module.The EPM570T100C5 is the core of the system which is used to control A/D chip MAX1311 conversion and store the converted data to the built-in UFM according t

o the timing operation.In the design of the circuit board,the MAX Ⅱ CPLDs are used with logic and memory to reduce the chip-to-chip delay,the board space and the total system cost.400K sampling rate is achieved stably in this system,and it can be embedded into the device to detect signals of acceleration and shocks.

【期刊名称】《机械制造与自动化》

【年(卷),期】2013(042)004

【总页数】4页(P142-145)

【关键词】CPLD;UFM;MAX1315;电荷放大器;加速度采集系统

【作者】张相田;王珂;初晓峰

【作者单位】南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;山东黄金矿业股份有限公司,山东烟台261400

【正文语种】中文

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【中图分类】TP311

0 引言

风刀干燥机目前，在军事武器研究、石油井压裂技术、航空、航天、机械、电子等多个领域中，为保证产品的品质，实现产品工作的最优化，常常需要对一些高冲击下瞬态信号进行捕获［1］。但是对于内部机构冲击信号的测量，很多情况下都是利用外部测量设备间接的进行测量或者估算。其中冲击信号加速度参数测试的准确与否，对产品工作的好坏以及性能优化起着至关重要的作用。

针对上述问题，为了更真实的测量设备内部的加速度参数，提出了一种基于CPLD内置UFM的嵌入式加速度采集系统，该系统可以直接嵌入到某些设备内部进行加速度的测量，并且该方案可以适用于其他冲击信号的测量。

1 系统总体结构

嵌入式加速度采集系统的总体结构如图1所示。采集系统主要由电荷放大器模块、信号调理模块、A/D转换模块、CPLD控制系统模块和电源模块5部分组成。其中电荷放大器选用高

精度、低偏置电流、高输入阻抗的运算放大器OPA128SM;信号调理模块主要包括电压放大电路和二阶低通滤波电路两部分，主要完成信号的放大与滤波;A/D转换模块主要由MAX1311 12位高精度A/D芯片及其外围电路组成;CPLD控制系统选用Altera公司MAX II系列的EPM570T100C5芯片，该控制系统模块主要完成对A/D芯片的控制以及CPLD内部UFM的读写等功能。

整个采集系统嵌入到设备内部通电后就可以进行加速度数据采集工作，但开始采集到的数据并不进行存储，CPLD内部的数据比较器会实时的比较采集到的数据是否达到了预定的存储触发值。如果没有超过存储触发值，CPLD不进行数据的存储并且数据比较器会继续比较下一次采集到的数据是否超过了存储触发值。如果采集到的数据超过存储触发值，CPLD就会控制写UFM模块进行数据的存储，存储完成后，CPLD内部的地址加法器模块会自动加1。如果地址没有溢出，A/D控制模块会控制A/D芯片进行下一次的A/D转换。此时转换的数据不再进行数据比较，直接通过CPLD内部的写模块写入到UFM里。当UFM写满后，地址加法器会产生一个信号，通知A/D转换控制器停止A/D数据转换，整个数据采集工作结束。数据采集结束后取出测量设备，把相应的接口线接到相应的数据读取设备上，通过串口把采集到的数据读出来。

图1 采集系统的总体结构

2 系统硬件设计

2.1 电荷放大器模块

电荷放大器是压电式传感器的一种专用的前置放大器。它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电源正比于输入电荷［2］。电路中集成运放选用超低偏置电流的单片运算放大器OPA128SM。由于该放大器的输入端采用了场效应晶体管，所以该芯片的输入阻抗极高为1013Ω，运算放大器的输入端几乎没有分流，电荷Q只对反馈电容C29充电，充电电压接近等于放大器的输出电压，即:

式中，U为放大器输出电压;Ucf为反馈电容两端的电压。

为了减小漂移，使电荷放大器工作稳定，在反馈电容C29的两端并联了一个10G的电阻，其功能是提供直流反馈。

电荷放大器的低频截止频率为:

其中电荷放大器电容的选择对电路的性能影响很大，普通瓷介电容的电介常数很高、精度低，有较大的转换误差。所以本系统电荷放大电路选用的是高精度的锡膜电容。电荷放大器电路如图2所示。

2.2 信号调理模块电路

图2 电荷放大器电路

信号调理模块主要包括电压放大电路和低通滤波电路两部分。放大电路和滤波电路均选器件A/D 711，该器件具有较小的失调和噪声、功耗和温漂，较高的输入阻抗、共模抑制和开环增益，较快的转换速率，优良的频率特性和建立时间，在各类放大器、缓冲器、滤波器中得到广泛运用［3］。它是A/D公司在90年代推出的通用运算放大器，具有出的交直流特性，性价比高。由于MAX1311输入电压的范围为－5 V～+5 V，所以电压放大和滤波操作后的模拟信号的范围应该保证在A/D转换芯片的输入电压要求内。具体的调理电路如图3所示。为了得到fo=20 kHz的低通滤波电路，根据响应的公式，计算得到R22=R23=20 k，C30=560 PF，C35=280 PF。

图3 信号调理电路

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2.3 A/D 转换模块

MAX1311是12位的模数转换器，可以达到1 075 ksps的最大采样频率。全工作状态下只需要36 mA的工作电流。MAX1311片上自带2.5 V的基准电压，可以对－5 V～+5 V的输入模拟信号进行A/D转换。本设计中，模块采用300 kHz的采样频率。A/D转换模块电路如图4所示。

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