基于FPGA的监测数字示波器设计

摘要：在核监测中，常将各种传感器输出的信号通过A/D转换器转换为数字信号，然后利用数字信号处理技术对各种核信号进行数字处理。为了准确测量核信号数字波形的各种参数，对基于FPGA双口RAM的数字示波器进行了设计和测试分析。实验表明，该数字示波器能准确获取核信号的数字渡形及各种参数的值，可对核信号的波形进行录制、回放和精确分析，为核监测及其仪器准确设计提供有力的保证。

福岛核事故促进了核监测仪器的飞速发展。在核爆监测中，需对核辐射的各种信号如光辐射、放射线沾染、冲击波、电磁辐射等进行测量，通过测量这些信号的时间、幅度和信号波形信息，判断核爆炸的时间、位置、方式和当量等。为了将信号存储、分析及各种数学处理，需要将核信号转换为数字信号。基于FPGA的数字存储示波器可以实现核信号的采集、存储及各种处理，获取核信号的各种参数，输出报警信息，再将获取的信号通过GPRS、北斗1和数传电台等多种方式传送至指挥中心，为核监测决策提供数据支持。下面就基于FPGA双口RAM的数字存储示波器进行设计研究。

1 FPGA简介

现场可编程门阵列(FPGA)是在专用集成电路(ASIC)的基础上发展起来的一种新型逻辑器件，是当今数字系统设计的主要硬件平台。其主要特点就是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可以反复擦写。在修改和升级时，不需额外地改变PCB电路板，只要在PC机上修改更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作。

通过编程可以立刻把一个通用的FPGA芯片配置成用户需要的硬件数字电路，因而大大加快电子产品的研发周期，降低研发成本，缩短产品上市时间。FPGA具有高密度(一个器件内部可用逻辑门可达数百万门)，运行速度快(管脚间的延时小，仅几个纳秒)的特点。用FPGA设计数字电路可以简化系统设计，缩小数据规模，提高系统的稳定性。FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且开发软件投入少、芯片价格不断降低，这使得FPGA占有越来越多的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使FPGA成为首选。同时FPGA的Inte llectual Property(IP)越来越被高度重视，带有IP内核的功能块在ASIC设计平台上的应用日益广泛。尤其是FPGA很方便设计各模块并行处理，极大地提高信号处理速度。由于FPGA的上述优点，基于FPGA的各种仪器设计技术得到了越来越广泛的应用。

2 基于双口RAM的数字示波器设计

2.1 基于双口RAM的数字示波器的设计原理

核辐射探测传感器将核辐射的各种信号转换为电信号，该电信号为模拟信号，然后放大、成形等电路对模拟信号进行适当的调理，高速A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，FPGA对该数字信号进行数字滤波、存储等处理。基于双口RAM的数字示波器原理图如图1所示。

2.2 模/数转换电路

要对核信号进行精确的数字分析处理，就需要对核信号进行精确的数字取样，取样频率越高，取样结果越准确。AD9244是Analog Devi ce公司生产的14位高速高精度模/数转换器，具有750 MHz输入带宽，采用流水线技术，每个脉冲可进行一次A/D变换，最高允许抽样速率达到65 MHz。它专门应用于峰峰值小于2 V的小信号模/数转换系统，其最大的特点是体积小、功耗低、精度高。输入模拟量在-1～1 V之间时，溢出位为0，输入模拟电压为-1 V时，输出14位数字量为00000000000000;输入模拟电源为0 V时，输出数字量为10000000000000;输入模拟量为1 V时，输出数字量为11111111111111。输入模拟量低于-1 V时，溢出位为1，输出数字量为00000000000000;输入模拟量高于1 V时，溢出位为1，输出数字量为11111111111111。A/D取样示意图如图2所示。NaI(T1)闪烁体探测器核脉冲信号经放大整形后输出近高斯波形模拟信号，再经8138转换为差分模拟信号进入AD9244，FPGA输出50 MHz时钟信号ADC_CLK到AD9244作为ADC的时钟源，AD9244则输出50 MHz 14位数字信号及1位溢出位信号到FPGA，完成模拟核脉冲信号的高速采样。每个ADC_CLK脉冲，ADC完成一次模/数变换。

2.3 双口RAM IP核定制

存储核监测数字信号既可以使用FPGA内部的FIFO存储器，也可使用内部RAM存储器。FIFO存储器控制简单，使用方便，但要访问存储数据的中间数值不很方便;RAM存储器使用更灵活，可以利用地址来处理RAM中的任何一个数据。在FPGA内部，RAM有两种类型，分别是BlockRAM和Distribute RAM。其中Block RAM为硬件RAM，集中分布在FPGA内的一个区域，利用Block RAM存储数据时，不占用其他逻辑资源。Distribu te RAM是由FPGA内的逻辑元件综合成的存储单元，广泛分布在FPGA的各个区域，离逻辑单元电路较近，用于存储各逻辑电路处理的信号。数字示波器存储的波形数据量较大，所以在双口RAM采用Block RAM实现。

AD9244输出的数字信号为14位，所以RAM的数据宽度设置为16位，双口RAM数据读、写可采用相同的时钟控制;波形存储深度设定为1 024，即双口RAM存储1 024个采样点数据，所以双口RAM存储器共占用16 Kb RAM空间。由于核仪器工作在高辐射污染区，人员一般不能进入，通信一般采用无线通信方式，所以数据常采用串口通信方式。双口RAM数据直接经串口输出的原理图如图3所示。双口RAM数据经FSL总线由Microblaze处理器输出原理图如图4所示。A口用于RAM信号存储，数据宽度16位，深度1 024。B口用于RAM数据输出，若用ISE编写串口程序，B口数据宽度为8位，深度2 048;若采用PLB或FSL总线IP核方式，B口数据宽度定制为16位(16位RAM数据加载到32位总线的低16位上，总线高16位补零)，深度为1 024。