王天雄 嚴利民 高輝

    隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，采用現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)進行數(shù)字信號處理得到了飛速發(fā)展。由于fpga具有現(xiàn)場可編程的特點，可以實現(xiàn)專用集成電路，因此越來越受到硬件電路設(shè)計工程師們的青睞。

    目前，在自動化監(jiān)測與控制儀器和裝置中，大多以8位或16位mcu為核心部件。然而伴隨著生產(chǎn)技術(shù)的進步和發(fā)展，對監(jiān)測與控制的要求也在不斷提高，面對日益復(fù)雜的監(jiān)測對象和控制算法，傳統(tǒng)的mcu往往不堪重負。把fpga運用到這些儀表和設(shè)備中，可以減少這些儀器、設(shè)備的開發(fā)周期，大幅度提升這些儀器的性能，減少總成本和體積。

    在低阻值、高精度線圈電阻測試儀中關(guān)鍵部分用fpga硬件電路來實現(xiàn)，可以節(jié)省系統(tǒng)的面積開銷、減少所用的芯片數(shù)和pcb板塊數(shù)，提升系統(tǒng)性能，并降低成本。

    低阻值、高精度測試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

    系統(tǒng)的待測體是一個繞有三組銅線圈的機構(gòu)，外形尺寸大約是7×7×6(mm)，外形結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。由于系統(tǒng)要通過測量待測線圈的阻值，來確定線圈的圈數(shù)，因此，要求有比較高的測量精度。按照工廠流水線作業(yè)的要求，待測體電阻值均在5q以下，測量精度在±0.01ω以內(nèi)，反應(yīng)速度在0.8s以內(nèi)。整個測試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示輸出模塊組成，系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

    數(shù)據(jù)采樣部分

    由于本系統(tǒng)要對微小電阻進行精確測量，因此采用四引線制測量法，配以高精度、低溫漂的恒流源。本系統(tǒng)的a／d轉(zhuǎn)換芯片采用intersil公司的三位半a／i)轉(zhuǎn)換器icl7107，恒流源產(chǎn)生的10ma電流流經(jīng)待測線圈，產(chǎn)生一個與線圈阻值成正比的壓降。此壓降通過三位半a／d轉(zhuǎn)換器直接轉(zhuǎn)換為七段碼形式的十進制數(shù)據(jù)流，直接送至顯示輸出部分，由led數(shù)碼管顯示輸出。

    數(shù)據(jù)處理部分

    這部分有三個功能：

    (1)將a／d轉(zhuǎn)換器輸出的七段碼形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為bcd碼；

    (2)將轉(zhuǎn)換好的的bcd碼數(shù)據(jù)進行相減，實現(xiàn)電阻值求差功能；

    (3)將轉(zhuǎn)換好的bcd碼數(shù)據(jù)與設(shè)定的上下限進行比較，第2步得到的電阻差值與基準比較值進行比較，實現(xiàn)比較功能。

    本文著重介紹這一部分的原理以及實現(xiàn)。針對數(shù)據(jù)處理部分，這一部分功能可以采用三種方案來實現(xiàn)：

    (1)采用alu和7485系列芯片來實現(xiàn)，這種方案需要6個alu單元(3片處理4位bcd減法的單元和3片處理借位的單元)和18片74ls85芯片(作為數(shù)字比較器)，占用相當(dāng)大的系統(tǒng)面積，并且看起來非常繁瑣功能復(fù)雜，不直觀。時間延遲大，測量誤差也比較大。

    (2)完全采用數(shù)字組合邏輯電路來實現(xiàn)，這一方案設(shè)計門檻比較低，但是占用的系統(tǒng)面積、功耗和測量誤差比第一種方案大的多，達到較難以實現(xiàn)的地步。

    (3)采用fpga來實現(xiàn)，把本部分要實現(xiàn)的功能完全集成在一塊fpga上，與上述兩個方案比較，大大節(jié)省面積，系統(tǒng)功能讓人一目了然，而且儀器穩(wěn)準度更高，反應(yīng)速度更快

    顯示輸出部分

    該部分有l(wèi)ed顯示燈(紅、綠)和led數(shù)碼管組成，根據(jù)輸入顯示相應(yīng)結(jié)果。

    fpga實現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理功能

    測試儀中通過待測線圈的壓降通過三位半a／i)轉(zhuǎn)換器icl7107后，一輸出的數(shù)據(jù)(samplel、sample2)均為七段碼形式的十進制三位數(shù)(個、十、百位)，要求與兩個可調(diào)的上下限(bcd碼撥碼輸入)進行比較，若在比較限度內(nèi)則亮綠燈(greenl、green2)，否則亮紅燈(rerll、red2)。另外，兩個采樣值相減，若其差值(sub)在固定范圍以內(nèi)則亮綠燈(green3)，否則亮紅燈(red3)。所有的綠燈亮，總控的綠燈(greerl)才亮，否則，總控紅燈(red)亮。設(shè)計方案按照top—down的思想對系統(tǒng)進行整體功能劃分，再以b