基于CPLD的水下冲击波记录仪的设计
随着大规模集成电路和单片机的迅速发展，复杂可编程逻辑器件（CPLD）具有使用灵活、可靠性高、功能强大的优点，在电子产品设计中得到了广泛的应用。CPLD可实现在系统编程，重复多次，而且还兼容IEEE1149.1(JTAG)标准的测试激励端和边界扫描能力，使用CPLD器件进行开发，不仅可以提高系统的集成化程度、可靠性和可扩充性，而且大大缩短产品的设计周期。由于CPLD采用连续连接结构，易于预测延时，从而使电路仿真更加准确。CPLD是标准的大规模集成电路产品，可用于各种数字逻辑系统的设计。近年来，随着采用先进的集成工艺和大批量生产，CPLD 器件成本不断下降，集成密度、速度和性能都大幅度提高，这样一个芯片就可以实现一个复杂的数字电路系统；再加上使用方便的开发工具，给设计修改带来很大方便。本文以Xilinx公司的CoolRunner系列CPLD芯片为例，实现对水下爆炸时冲击波信号数据的记录。
2 水下冲击波记录仪的组成及工作原理
2.1 功能介绍
该水下冲击波记录仪电路主要用于测试水下爆炸时冲击波的强弱,通过专用数据处理软件它能够对采集到的冲击波信号的数据进行波形重现, 并从波形上可读出冲击波的压力峰值及其上升时间和作用时间。
2.2 体系结构组成
水下冲击波记录仪由数据记录器、接口、测试数据处理软件三部分组成。数据记录器是一个集压力传感器、瞬态波形记录器、接口、电源等于一体的微型测试装置，内置电压放大器，直流供电，输入信号经放大、高速A/D转换后实现自动数字存储。
2.3 工作原理
压力传感器的主要作用是敏感水下冲击波的强弱，其输出通过恒流源电路把冲击压力信号转换为电压信号。调理电路将信号转换到模数转换器的模拟量输入范围之后，由模数转换器对其进行采集，通过中心控制模块对转换后的数字信号的幅值进行判断并对存储器地址进行初始化、递推，数字信号即被存储。读数时计算机通过并口发出读数时钟及命令，对三路存储器进行路选、片选并将其中的数据读出。
记录仪触发方案采用负延迟内触发：当信号幅值大于或等于传感器输出满量程的10%时启动负延迟，而当信号幅值小于此值时系统处于循环采集状态,从而可以有效地防止干扰引起的误触发与不触发并准确、完整地记录整个冲击波波形。水下冲击波记录仪的原理组成框图见图1。
图1 水下冲击波记录仪工作原理图
3 CPLD的应用
在本设计中主要使用Xilinx公司开发的CoolRuner CPLD芯片完成设计。本文设计中所采用的是该系列中的XCR3256器件,可实现6000门的数字逻辑电路，内嵌256个宏单元，支持4个全局时钟，具有低功耗、可快速ISP、延时可预测等特点。我们选用XCR3256芯片实现水下冲击波记录仪主控模块,该主控模块用于对各外围器件的控制，协调各外围器件的工作。外围器件主要有电源芯片组、静态RAM存储器、晶体振荡器、A/D转换器、LED、并口等。其中晶体振荡器包括产生主时钟的12MHz晶振和产生延时计数时钟的1MHz晶振。主控模块与各外围器件的框图如图2所示。
图2 水下冲击波记录仪主控模块与各外围器件电路原理框图
3.1 灵活性强，开发周期短
图2中A/D转换器采用AD7470。它的启动转换输入端CONVST由主时钟分频得到且采样频率可编程。可编程延时电路是通过一个四路拨码开关对CPLD输入不同的电平组合实现的，通过设定CPLD数字逻辑对产生延时计数时钟的1MHz晶振计数，输入不同的电平组合从而译码产生不同的延迟时间，而更改电平组合只需对记录仪的面板操作即可。CPLD器件配以ISE开发系统可完成设计输入、编译、验证及编程,设计校验可进行完整的模拟, 最坏情况下的定时分析和功能测试。设计人员无需编程器就可重构数字系统,具有“硬件软做”的特点。
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