剖析可编程器件的通信检测系统接口如何设计

剖析可编程器件的通信检测系统接口如何设计

1系统整体设计

检测接口结构框图如图1所示。其激励通道由FPGA、DAC、滤波放大电路组成，用于将上位机发送的数字激励信号转换成与通信设备信号物理特性一致的模拟信号。数据采集通道由信号调理电路、ADC和FPGA组成，用于将采集得到的设备响应信号转化为数字信号传送到上位机进行分析处理。混合电路和变压器主要用于实现二线平衡双工传输功能，并提供对外二线接口。

从结构上，检测接口可以分为DAC单元、滤波放大单元、二线接口单元、混合单元、信号调理单元、ADC单元和FPGA系统单元。

2.1DAC与滤波放大单元

DAC与滤波放大单元用于将数字信号转换为模拟信号，并完成对信号的调理、幅度调节与功率放大功能。其硬件电路如图2所示。

该单元由3部分电路组成，分别是DAC芯片电路、无源滤波电路和差分放大电路。

图2中使用外部扩展电阻R1～R6组成反馈电阻网络，其中R1=R2=10kΩ为输入电阻，R3=R6=24kΩ、R4=R5=33kΩ为两组反馈电阻。该电路的增益值分别为A1=R3/R1=2.4，A2=R4/R1=3.3。为了提高检测接口的自动化程度，使用1个2路2：1电子开关ADG736用于两组反馈电阻的切换，通过改变其控制端IN1和IN2的电平逻辑，完成开关动作。ADG736使用5V供电时，导通电阻RON为2.5Ω，带宽大于200MHz，通过峰值电压为5V。

2.2二线接口与混合电路单元

二线接口与混合电路单元用于为信号激励与数据采集提供对外二线接口和实现收发信号的双工传输。其硬件电路如图3所示。

二线接口电路由电压比为1的变压器以及电阻RS1、RS2和电容C9、C10组成，用于提供检测电路对外的二线接口，实现接收与发送信号的传输，同时可以隔离外部直流信号。RS1、RS2用于与线路负载阻抗匹配并隔离远端反射和提供线路的能量交换，电容C9、C10用于配合组成激励发送端扩展滤波电路。

在图3中，U1为激励单元输出差分信号，U3为设备响应信号，RL为线路负载，假设通过变压器初级线圈与次级线圈的电流分别为i1和i2，则有：

2.3信号调理与ADC单元

信号调理与ADC单元用于将混合电路输出的模拟差分信号转换为输入信号并输入到FPGA，该部分为数据采集的核心单元，其硬件电路如图4所示。

基于上述内容，则可得数据采集通道ADC的输入信号VIN与二线接口输入检测信号U3之间的关系为：

式中，RF为信号调理电路数字电位器AD5272的阻值，RG为混合电路数字电位器AD5272的阻值。

2.4FPGA单元

3FPGA程序设计

在检测接口电路的设计中，FPGA是检测接口电路的信息传输与控制单元的核心，其可编程配置能力和能够高速、并行处理数字信号的能力是检测接口的灵活性和升级性的关键。其内部程序使用Xilinx公司的FPGA开发环境ISE进行设计并完成烧写。程序设计使用模块化设计思想，其结构示意图如图5所示，可以分USB传输、管理控制、DAC传输、输出增益控制、混合单元控制、信号调理控制、ADC传输控制和增益补偿8个模块。下面就各个模块的功能分别进行介绍。

(1)USB传输模块，用于通过FPGA单元上的USB接口电路实现FPGA芯片与上位机的信息传输，具有USB电路的配置功能，并实现标准USB信号封装、解封装功能，将接收到的上位机信号解封装为透明数据传送到管理控制模块和DAC传输模块，将管理控制模块、增益补偿模块输出信号封装为标准USB信号通过USB接口电路传输到上位机。

(2)管理控制模块，是整个程序的主控单元。该模块用于接收USB传输模块输出的控制信号，对其余的通信模块进行控制，并输出检测电路的工作状态到USB传输模块，最终传输到上位机。同时用于控制其余模块的工作状态，接收混合单元控制模块、信号调理控制模块、ADC传输模块输出的反馈信息进行工作状判断，根据混合单元控制模块、信号调理控制模块反馈信息控制增益补偿模块的补偿量。

(4)输出增益控制模块，用于在管理控制模块输出的控制信号下工作，根据需求通过两路输出信号IN1和IN2分别控制差分放大电路的2个电子开关ADG736。

(5)混合单元控制模块，用于在管理控制模块输出的控制信号下工作，根据需求通过输出I2C信号控制混合单元的数字电位计AD5272的阻值，完成信号混合功能，并将AD5272的阻值信息反馈给管理控制单元。

(6)信号调理控制模块，用于在管理控制模块输出的控制信号下工作，根据需求通过输出2路I2C信号控制信号调理电路的2个数字电位计AD5272的阻值，完成信号调理功能，并将2个AD5272的阻值信息反馈给管理控制单元。

(7)ADC传输模块，在管理控制模块的控制下工作，接收DAC芯片输出的采样数据，并将数据传输到增益补偿模块，同时为ADC芯片提供采样时钟。该模块同时接收ADC输出的满量程指示信号和数据输入指示信号，并传送给管理控制模块。

(8)增益补偿模块，用于接收来自ADC传输模块的采样数据和管理控制模块输出的增益补偿信息，对ADC芯片采样获得的信号进行增益补偿，实现检测信号的完整性。

4结论

版权声明：本文内容由网络用户投稿，版权归原作者所有，本站不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。如果您发现本站中有涉嫌抄袭或描述失实的内容，请联系我们jiasou666@gmail.com 处理，核实后本网站将在24小时内删除侵权内容。