基于FPGA和DSP的高速瞬态信号检测系统

文章摘要： 引 言目前国内急需一种能够对电火工品的发火过程进行实时无损耗监测的方法和手段，并根据监测结果对火工品的可靠性进行准确的判决和认证，解决科研和生产过程中的具体问题。本系统采用感应式线圈作为非接触式启爆电流的启爆装置，并采用高速A／D、FPGA、DSP等先进的集成电路实现了电火工品的无损耗检测。其主要目的是：第一，解决电火工品可靠性试验中微秒级瞬态信号的检测、处理和存储技术；第二，为可靠性试验提供一种在线的无损耗实时检测系统，以便对电火工品的发火全过程进行监测；第三，为电火工品的发火可靠性认证和*估提供真实的*价依据，减少或杜绝因拒收产品而出现经济方面的风险，同时也可减少或杜绝因错误地接

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     引 言

　　目前国内急需一种能够对电火工品的发火过程进行实时无损耗监测的方法和手段，并根据监测结果对火工品的可靠性进行准确的判决和认证，解决科研和生产过程中的具体问题。本系统采用感应式线圈作为非接触式启爆电流的启爆装置，并采用高速A／D、FPGA、DSP等先进的集成电路实现了电火工品的无损耗检测。其主要目的是：第一，解决电火工品可靠性试验中微秒级瞬态信号的检测、处理和存储技术；第二，为可靠性试验提供一种在线的无损耗实时检测系统，以便对电火工品的发火全过程进行监测；第三，为电火工品的发火可靠性认证和*估提供真实的*价依据，减少或杜绝因拒收产品而出现经济方面的风险，同时也可减少或杜绝因错误地接收产品而出现武器装备质量方面的隐患。

　　1 系统组成

　　整个系统的组成如图1所示。当启爆电路在DSP和FPGA的控制下启爆时，感应线圈取出启爆电流，首先是高速数据采集与存储电路，以FPGA为核心，对数据进行高速采集与存储。数据存储完毕，FPGA发信号告知DSP采集完毕，开始对采集的数据进行相关的处理。DSP对信号处理的内容：首先对信号滤波，然后进行必要的时域和频域分析，提取相关的信号特征，包括持续时间、信号带宽、峰值、功率、能量等。处理完的数据通过USB口传送到计算机，继而进行专业的相关分析。这里如果采用高速DSP进行数据采集，对于DSP的运算能力是一种浪费。而在高速数据采集方面，FPGA有单片机和DSP无法比拟的优势。FPGA时钟频率高，内部时延小；全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高．因此有图1所示的系统组成。

　　2 硬件电路

　　2．1 高速数据采集与存储电路

　　为了能够对作用时间为μs级的电火工品的启爆电流进行实时监测，采用了由一些大规模集成电路芯片构成的高速数据采集与存储电路，如图2所示。

　　电火工品无损耗检测的主要内容是对启爆电流的测量。

　　电火工品的启爆电流作用时间为μs级。XCS30是Xilinx公司基于SRAM技术的FPGA芯片，由它发出指令对电容Cl充电并启爆电火工品DT。非接触式感应线圈作为启爆电流的探测装置，取出电压。前端调理电路一是扩大可测信号的幅度范围，设置放大器，对小信号进行放大，以保证足够的动态范围；二是为了不给被测信号带来影响，输入端应有较高的输入阻抗。在实验中测到的电压带有噪声，于是通过滤波器将噪声滤掉。但这样处理以后，信号的驱动能力下降，以至于A／D不能正确地采样，于是加了一级跟随器，增强驱动能力，这样A／D就可以正确地采样了。

　　XCS30的主要任务是：④控制可控硅D1的导通，使电容器C1充电；②控制可控硅D2的导通，使电火工品启爆；③在D2导通的同时，启动A／D转换，以实现A／D采样与启爆信号的同步；④产生地址信号，将A／D输出的数据存储到SRAM中；⑤判断SRAM的存储空间是否已满，以便结束A／D采样，并输出CLKR信号，通知图3所示的数据处理与传输电路，读取SRAM中的数据。其中①与②两项任务是在DSP的控制下进行的，如同3所示，即XCS30接收到DSP的指令后才能完成上述两项任务。DSP经过XCS30而控制Dl和D2导通的原因，是为了提高负载的驱动能力。也就是说，XCS30的驱动能力比DSP强，可以可靠地使可控硅Dl和D2导通。

　　实际使用时，数据采集与存储电路所达到的主要性能是：①采样速率达到40 Msps，即采样间隔25 ns；②存储器容量为512KB；③被采样信号的最大持续时间为12．8 ms。

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