CN113358917B - 一种基于fpga的脉冲波高采集实现方法 - Google Patents

一种基于fpga的脉冲波高采集实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的脉冲波高采集实现方法，属于数据采集技术领域。本发明提供一种多通道脉冲采集和分析的实现方法，可以自定义在线配置多通道的电压阈值，通过数字电路实现脉冲峰值检测，提高了脉冲峰值检测模块的可移植性，可以封装为模块重复应用，适用于需要分析脉冲波高分布的场合，可应用于粒子计数器脉冲波高进行采集的场合。

Description

一种基于FPGA的脉冲波高采集实现方法
技术领域
本发明属于数据采集技术领域，具体涉及一种基于FPGA的脉冲波高采集实现方法。
背景技术
很多行业对工作区的洁净度有着严格的要求，对于洁净度等级的判断依赖于粒子计数器，在信号采集的场合需要对传感器输出的脉冲信号进行波高分布分析。例如粒子计数器中就需要对某一种粒子的脉冲分布进行分析计算得到这种粒子的阈值电压，而在实现不同波高范围的脉冲进行计数时采用的方法一般是通过高速电压比较器甄别出不同波高的脉冲，原理是在电压比较器的一端输入甄别电压另一端输入脉冲信号，当脉冲信号高于该比较器的甄别电压时产生跳变沿信号，这样可以采集高于甄别电压的脉冲。但该方法无法采集更多通道的脉冲信号，由于通道数必须和电压比较器的数量相同，所以当需要进行波高分布分析时通道数很多的话采用这种方式就会需要很多的电压比较器使得电路板的面积非常大，一般解决这个问题时需要使用外接专用设备完成多通道脉冲波高采集。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：为了实现低成本高可移植性可嵌入到小型计数设备中的脉冲波高采集，设计一种多通道脉冲波高采集的实现方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于FPGA的脉冲波高采集实现方法，包括以下步骤：
步骤一，根据待测量的脉冲信号的幅度分布以及实际对幅度分布的敏感程度，在人机交互设备中设置采集的电压下限MIN、电压上限MAX、总通道数m、和脉冲开始阈值V_MIN，并由此计算出每个通道的电压阈值V_1、V_2…V_m-1，或者自由设置每个通道的阈值电压，作为通道配置数据通过MCU的SPI通讯接口将阈值参数发送到FPGA；
步骤二，FPGA通过SPI通讯接口逻辑接收到通道配置数据，根据每个通道的电压阈值对阈值寄存器进行赋值并将通道数存到通道寄存器中，配置完成后通知MCU；
步骤三，MCU对高速模数转换芯片ADC进行配置，包括阻抗、转换速率和通道模式；
步骤四，通过人际交互设备向MCU输入采样控制参数以及采样开始信号，以便后续由MCU根据采样控制参数完成FPGA采样过程的控制；采样控制参数包括用来控制单次采样时间、采样次数、采样结果的刷新频率；
步骤五：MCU接收到采样开始信号后，判断FPGA和ADC的配置都完成后将采样开始信号发送到FPGA；
步骤六：FPGA接收到采样开始信号后，开始缓存ADC的转换数据到FIFO中，先进行脉冲峰值检测，取到峰值电压后根据阈值寄存器中的通道的电压阈值设置判断该脉冲值属于哪个通道，将对应通道的计数器加1；
步骤七：MCU将每个周期的采样结果统计为脉冲波高分布图，并转换为EXCEL表格存储到FLASH中供后续的分析使用。
优选地，步骤二中，FPGA通过SPI通讯接口接收MCU发送的每个通道的阈值电压V_1、V_2…V_m-1和通道数m后配置到相应寄存器中。
优选地，在步骤六FPGA采样过程中，MCU按照设置的采样控制参数控制采样过程的刷新间隔、采样周期和单次采样时间，并在每个采样周期内定时读取计数器的值并实时更新到人机交互设备，并控制FPGA完成采样次数。
优选地，步骤六中进行脉冲峰值检测利用一个状态机来实现，在初始状态下判断到输入电压值V_IN大于V_MIN后进入上升状态并将V_IN存到寄存器V_MAX中，寄存器V_MAX用于暂存当前电压的最大值，上升状态下脉冲宽度计数器MCNT开始计数，当V_IN大于V_MAX中的值时就将V_IN的值存到V_MAX中，当判断V_IN的值小于V_MAX中的值时进入下降状态，在下降状态下检测到V_IN的值小于V_MIN认为一个脉冲结束，停止下降状态，跳到判断状态，在判断状态下需要根据MCNT的值确定V_MAX中的值是否有效。
优选地，步骤六中，将有效的V_MAX电压缓存到脉冲峰值电压FIFO中，读出峰值电压后根据阈值寄存器中的值进行判断，得到该脉冲信号的所属的通道数，最后将这个通道的计数器加一；
优选地，步骤六中，当MCU读取计数器的值时，FPGA将所有通道的计数器的值送到SPI通讯接口。
本发明还提供了一种用于实现所述方法的多通道脉冲波高采集装置。
优选地，该装置以MCU、FPGA、模数转换芯片ADC、SPI通讯接口和人机交互设备。
本发明还提供了一种所述方法在粒子计数器脉冲波高采集技术领域中的应用。
(三)有益效果
本发明提供一种多通道脉冲采集和分析的实现方法，可以自定义在线配置多通道的电压阈值，通过数字电路实现脉冲峰值检测，提高了脉冲峰值检测模块的可移植性，可以封装为模块重复应用，适用于需要分析脉冲波高分布的场合，可应用于粒子计数器脉冲波高进行采集的场合。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的参数关系图；
图3为本发明的装置总体框图；
图4为本发明的装置实现原理框图；
图5为本发明的FPGA处理流程图；
图6为本发明的FPGA的实现原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明为了实现低成本高可移植性可嵌入到小型计数设备中的脉冲波高采集，设计了一种多通道脉冲波高采集的实现方法。
本发明提供的一种多通道脉冲采集和分析的实现方法，可以自定义在线配置多通道的电压阈值，通过数字电路实现脉冲峰值检测，提高了脉冲峰值检测模块的可移植性，可以封装为模块重复应用，适用于需要分析脉冲波高分布的场合，可应用于粒子计数器脉冲波高进行采集的场合。
参考图1、图2，本发明提供的一种基于FPGA的脉冲波高采集实现方法，涉及采样控制、脉冲输入采集、信号通道判断等，包括以下步骤:
步骤一，根据待测量的脉冲信号的幅度分布以及实际对幅度分布的敏感程度，在人机交互设备中设置采集的电压下限MIN、电压上限MAX、总通道数m、和脉冲开始阈值V_MIN，并由此计算出每个通道的电压阈值V_1、V_2…V_m-1，或者自由设置每个通道的阈值电压，作为通道配置数据通过MCU的SPI通讯接口将阈值参数发送到FPGA；
步骤二，FPGA通过SPI通讯接口逻辑接收到通道配置数据，根据每个通道的电压阈值对阈值寄存器进行赋值并将通道数存到通道寄存器中，配置完成后通知MCU；
步骤三，MCU对高速模数转换芯片ADC进行配置，包括阻抗、转换速率和通道模式；
步骤四，通过人际交互设备向MCU输入采样控制参数以及采样开始信号，以便后续由MCU根据采样控制参数完成FPGA采样过程的控制；采样控制参数包括用来控制单次采样时间、采样次数、采样结果的刷新频率；
步骤五：MCU接收到采样开始信号后，判断FPGA和ADC的配置都完成后将采样开始信号发送到FPGA；
步骤六：FPGA接收到采样开始信号后，开始缓存ADC的转换数据到FIFO中，先进行脉冲峰值检测，取到峰值电压后根据阈值寄存器中的通道的电压阈值设置判断该脉冲值属于哪个通道，将对应通道的计数器加1；
步骤七：MCU将每个周期的采样结果统计为脉冲波高分布图，并转换为EXCEL表格存储到FLASH中供后续的分析使用。
在步骤六FPGA采样过程中，MCU按照设置的采样控制参数控制采样过程的刷新间隔、采样周期和单次采样时间，并在每个采样周期内定时读取计数器的值并实时更新到人机交互设备，并控制FPGA完成采样次数；
本发明还提供了一种对应的多通道脉冲波高采集装置，用MCU+FPGA+高速模数转换芯片实现对脉冲信号进行采集，可自定义通道阈值和通道数量，可实时显示脉冲分布图并以表格的形式存储。该装置以MCU、FPGA和高速模数展缓芯片为核心，包括FPGA、MCU、高速模数转换芯片ADC、专用通讯接口、UART通讯接口、SPI通讯接口、人机交互设备和电源模块。
在人机交互设备上对采样通道参数进行配置，配置数据发送到MCU中并通过SPI接口配置到FPGA中，FPGA中与ADC通讯接口初始化和通道参数配置完成后将状态上传，开始采样信号由人机交互设备产生经由MCU进行判断后发送到FPGA中，FPGA开始对高速模数转换芯片输出的电压数据进行峰值检测和通道判断并计数，最后MCU通过SPI接口读取出计数结果并进行数据分析后显示到人机交互模块，并且将每个周期的采样结果存储成表格供后续一些不适合MCU完成的数据分析使用。
本发明装置实施例的电路连接图如图3所示，其中MCU可采用STM32F407，FPGA可采用XC7K160T，高速模数转换芯片可采用ADC9684。MCU与FPGA的通信接口采用SPI，与人际交互设备采用串口，高速模数转换芯片配置接口采用SPI，数据传输采用专用通信总线。
MCU在系统中接收人机交互设备发送的用户设置，并转换为通道配置参数。在开始采样后，MCU接收FPGA中每个通道计数器的值后进行分析并发送到人机交互设备显示直方图。
关键技术是FPGA逻辑设计，包括ADC输出数据接收、脉冲峰值检测、通道判断、SPI接口逻辑和通道配置。
参考图5、图6，FPGA部分的工作流程如下：
步骤二中，FPGA通过SPI通讯接口接收MCU发送的每个通道的阈值电压V_1、V_2…V_m-1和通道数m后配置到相应寄存器中；
步骤六中进行脉冲峰值检测利用一个状态机来实现，在初始状态下判断到输入电压值V_IN大于V_MIN后进入上升状态并将V_IN存到寄存器V_MAX中，寄存器V_MAX用于暂存当前电压的最大值，上升状态下脉冲宽度计数器MCNT开始计数，当V_IN大于V_MAX中的值时就将V_IN的值存到V_MAX中，当判断V_IN的值小于V_MAX中的值时进入下降状态，在下降状态下检测到V_IN的值小于V_MIN认为一个脉冲结束，停止下降状态，跳到判断状态，在判断状态下需要根据MCNT的值确定V_MAX中的值是否有效；
将有效的V_MAX电压缓存到脉冲峰值电压FIFO中，通道判断模块读出峰值电压后根据阈值寄存器中的值进行判断，得到该脉冲信号的所属的通道数，最后将这个通道的计数器加一；
当MCU读取计数器的值时，FPGA将所有通道的计数器的值送到SPI通讯接口。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的脉冲波高采集实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据待测量的脉冲信号的幅度分布以及实际对幅度分布的敏感程度，在人机交互设备中设置采集的电压下限MIN、电压上限MAX、总通道数m、和脉冲开始阈值V_MIN，并由此计算出每个通道的电压阈值V_1、V_2…V_m，或者自由设置每个通道的电压阈值，作为通道配置数据通过MCU的SPI通讯接口将阈值参数发送到FPGA；
步骤二，FPGA通过SPI通讯接口逻辑接收到通道配置数据，根据每个通道的电压阈值对阈值寄存器进行赋值并将通道数存到通道寄存器中，配置完成后通知MCU；
步骤三，MCU对高速模数转换芯片ADC进行配置，包括阻抗、转换速率和通道模式；
步骤四，通过人机交互设备向MCU输入采样控制参数以及采样开始信号，以便后续由MCU根据采样控制参数完成FPGA采样过程的控制；采样控制参数包括用来控制单次采样时间、采样次数、采样结果的刷新频率；
步骤五：MCU接收到采样开始信号后，判断FPGA和ADC的配置都完成后将采样开始信号发送到FPGA；
步骤六：FPGA接收到采样开始信号后，开始缓存ADC的转换数据到FIFO中，先进行脉冲峰值检测，取到峰值电压后根据阈值寄存器中的通道的电压阈值设置判断该脉冲值属于哪个通道，将对应通道的计数器加1；
步骤七：MCU将每个周期的采样结果统计为脉冲波高分布图，并转换为EXCEL表格存储到FLASH中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中，FPGA通过SPI通讯接口接收MCU发送的每个通道的电压 阈值V_1、V_2…V_m和通道数m后配置到相应寄存器中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤六FPGA采样过程中，MCU按照设置的采样控制参数控制采样过程的刷新间隔、采样周期和单次采样时间，并在每个采样周期内定时读取计数器的值并实时更新到人机交互设备，并控制FPGA完成采样次数。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤六中进行脉冲峰值检测利用一个状态机来实现，在初始状态下判断到输入电压值V_IN大于V_MIN后进入上升状态并将V_IN存到寄存器V_MAX中，寄存器V_MAX用于暂存当前电压的最大值，上升状态下脉冲宽度计数器MCNT开始计数，当V_IN大于V_MAX中的值时就将V_IN的值存到V_MAX中，当判断V_IN的值小于V_MAX中的值时进入下降状态，在下降状态下检测到V_IN的值小于V_MIN认为一个脉冲结束，停止下降状态，跳到判断状态，在判断状态下需要根据MCNT的值确定V_MAX中的值是否有效。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤六中，将有效的V_MAX电压缓存到脉冲峰值电压FIFO中，读出峰值电压后根据阈值寄存器中的值进行判断，得到该脉冲信号的所属的通道数，最后将这个通道的计数器加一。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤六中，当MCU读取计数器的值时，FPGA将所有通道的计数器的值送到SPI通讯接口。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤七中，将脉冲波高分布图转换为EXCEL表格存储到FLASH中供后续的分析使用。
8.一种如权利要求1至7中任一项所述方法在粒子计数器脉冲波高采集技术领域中的应用。
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