信号产生与检测电路.docx
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信号产生与检测电路
3.1信号产生与检测电路的组成
信号产生与检测电路的组成框图如图3.1所示。
图3.1信号产生与检测电路的组成框图
信号产生与检测电路的主要技术指标和功能如下：
（1）网络接口：
100Mb/s，全双工，支持TCP/IP协议；
（2）串行接口：
1个RS232接口，1个RS485接口，1个RS485转接接口，波特率最高115200B，数据位8位，停止位1位，校验位无；
（3）IIC总线：
连接信号处理器、主控制器、码产生器、方位控制板插座，经开关控制连接6片PCF8574；
（4）高速DAC：
2路，位数14位，最大采样速率210MSP；
（5）串行DAC：
6路，串行控制接口SPI；
（6）输入输出数字信号电平标准：
5VCMOS/TTL电平；
（7）检测插座：
为9种电路板提供检测插座；
（8）激励信号：
为9种电路板诊断提供电源和激励信号；
（9）检测信号：
被测信号通过信号诊断钩引入信号产生与检测电路，一部分由FPGA或ARM检测，一部分经模拟开关选通输出至数据采集器检测。
信号产生与检测电路实现的功能见表3.1。
表3.1信号产生与检测电路的功能
序号
功能
要求
用途
备注
1
通信接口1
以太网
与主控计算机通信
2
通信接口2
RS-232
与主控计算机通信
3
通信接口3
RS-485
预留
4
通信接口转接
RS-485转接到主控计算机
主控制器、遥控显示板诊断
5
2路高速DAC
信号频率≥10MHz，幅度0-2V可设置
视放、距离支路、信号处理器、遥控显示板诊断
6
6路可调直流电压
幅度0-5V可设调
视放、距离支路、主控制器诊断
串行DAC产生
7
视频放大单元、距离支路单元、主控制器、信号处理器、码信号产生器器、电源单元、遥控显示器、方位控制器、方位驱动器的测试插座
提供被测板的电源、激励信号及检测信号输出
8
IIC总线，写段码、听支路码，读自检结果
信号产生与检测电路的CPU为主模式,对码产生器读写
码信号产生器
9
工作电源
+5V,+12V
码信号产生器
10
检测码时钟
至FPGA
码信号产生器
11
检测码同步
至FPGA
码信号产生器
12
检测调相信号
至FPGA
码信号产生器
13
检测视放码
至FPGA
码信号产生器
14
检测距离支路参考码1
至FPGA
码信号产生器
15
检测距离支路参考码2
至FPGA
码信号产生器
16
检测距离支路参考码3
至FPGA
码信号产生器
17
检测距离支路参考码4
至FPGA
码信号产生器
18
检测距离支路参考码5
至FPGA
码信号产生器
19
检测距离支路参考码6
至FPGA
码信号产生器
20
检测距离支路参考码7
至FPGA
码信号产生器
21
检测距离支路参考码8
至FPGA
码信号产生器
22
检测距离支路参考码9
至FPGA
码信号产生器
23
检测听支路参考码10
至FPGA
码信号产生器
24
正弦信号
至采集卡
码信号产生器
25
正弦参考信号
至采集卡
码信号产生器
26
调相器信号（XJ10）
至采集卡
码信号产生器
27
32.2K方波（XJ3）
至采集卡
码信号产生器
28
14.7K方波（XJ4）
至采集卡
码信号产生器
29
32.2k正弦波（XJ5）
至采集卡
码信号产生器
30
14.7k正弦波（XJ6）
至采集卡
码信号产生器
31
工作电源
+5V，+12V
主控制器
32
CPU复位信号
FPGA检测脉冲宽度
主控制器
33
复位信号
CPU检测该信号的高低电平
主控制器
34
数据有效信号
宽度10us正脉冲，FPGA产生
主控制器
35
控制信号
CPU检测该信号的高低电平
主控制器
36
+24V检测
CPU设置该信号高低电平
主控制器
37
接收距离支路段号
IIC接口，数据CPU可读
主控制器
IIC总线受控制，检测主控制器时接通
38
接收听支路码
IIC接口，数据CPU可读
主控制器
39
码电路自检结果
IIC接口，数据CPU可设置
主控制器
40
接收门限
IIC接口，数据CPU可读
主控制器
41
目标速度距离
IIC接口，数据CPU可写
主控制器
42
备份距离支路
IIC接口，数据CPU可读
主控制器
43
远近程控制
衰减至1/3后转至采集卡Vin0
主控制器
44
控制电压
转至采集卡Vin1
主控制器
45
每段持续时间
转至采集卡Vin2
主控制器
46
基准电压（N2.6）检测
信号采集卡VIN3
主控制器
47
RS-485通信口
转接至主控计算机
主控制器
48
工作电源
+12V
视放
49
视放输入信号XS1
信号频率≥10MHz，
幅度0-2V可设置
视放
高速DAC产生
50
产生参考码XP1-A/B4
FPGA产生，3M/5VCMOS电平
视放
51
视放输出XS2
至采集卡Vin0
视放
52
增益控制电压XJ1
至采集卡Vin1
视放
53
对消码XJ2
至采集卡Vin2
视放
54
视放检测信号XP1-A/B7
至采集卡Vin3
视放
55
控制电压XP1-A/B11
幅度0-5V可设调
视放
56
工作电源
+12V，+4.8V
遥控显示板
57
音频输入（XS1.5）
Vpp=200mV，频率可设置
遥控显示板
58
复位信号（D1.8）
FPGA检测脉冲宽度
遥控显示板
59
音频输出（XS6）
信号采集卡Vin0
遥控显示板
60
工作电压（XJ3）
信号采集卡VIN1
遥控显示板
61
背光电压（XJ2）
信号采集卡VIN2
遥控显示板
62
RS-485信号A（XS1.4）
转接至主控计算机
遥控显示板
与主控器共用
63
RS-485信号B（XS1.3）
遥控显示板
64
远近控制信号
FPGA产生，5VCMOS电平
距离支路
65
伪码参考信号1
FPGA产生，5VCMOS电平
距离支路
66
伪码参考信号2
FPGA产生，5VCMOS电平
距离支路
67
视频信号
电压有效值大于30mV，幅度可调（0-100mV）
距离支路
高速DAC产生
68
中频参考信号
电压有效值大于500mV，近程32.35KHz，远程14.71KHz正弦信号
距离支路
高速DAC产生
69
中放输出1
至采集卡Vin0
距离支路
70
中放输出2
至采集卡Vin1
距离支路
71
带通滤波输出1
至采集卡Vin2
距离支路
72
带通滤波输出2
至采集卡Vin3
距离支路
73
中频参考信号
至采集卡Vin0
距离支路
74
同步检波AGC放大输出1
至采集卡Vin0
距离支路
75
同步检波AGC放大输出2
至采集卡Vin1
距离支路
76
多普勒滤波输出1
至采集卡Vin2
距离支路
77
多普勒滤波输出2
至采集卡Vin3
距离支路
78
增益控制电压
至采集卡Vin0
距离支路
79
增益控制电压
至采集卡Vin1
距离支路
80
距离支路输出1
至采集卡Vin2
距离支路
81
距离支路输出2
至采集卡Vin3
距离支路
82
目标检测门限“1”
I2C接口，写至信号处理单元
信号处理
83
杂波“关”
I2C接口，写至信号处理单元
信号处理
84
数据00H和0FFH
I2C接口，写至信号处理单元
信号处理
85
采样启动信号
FPGA产生，5VCMOS电平
信号处理
86
复位信号
FPGA产生，5VCMOS电平
信号处理
87
多普勒信号
（直流检测信号）
500Hz，3.3Vpp正弦信号（3.3Vpp）
信号处理
高速DAC产生
88
数据有效信号XP2-A/B7
至FPGA
信号处理
89
通信接口检测信号D1.4
至采集卡Vin0
信号处理
90
通信接口检测信号D9.4
至采集卡Vin1
信号处理
91
通信接口检测信号D11.4
至采集卡Vin2
信号处理
92
地址信号
至采集卡Vin3
信号处理
93
模拟开关检测信号N3.4
至采集卡Vin0
信号处理
94
模拟开关检测信号N4.4
至采集卡Vin1
信号处理
95
模拟开关检测信号N5.4
至采集卡Vin2
信号处理
96
ADC检测信号
至采集卡Vin3
信号处理
97
遥控信号
FPGA产生，5VCMOS电平
电源模块
98
24V电源检测
至采集卡Vin0
电源模块
99
遥控开关
至采集卡Vin1
电源模块
100
遥控信号
至采集卡Vin2
电源模块
101
5V电压输出
衰减后至采集卡Vin0
电源模块
102
5V电流检测
至采集卡Vin1
电源模块
103
12V电压输出
衰减后至采集卡Vin2
电源模块
104
12V电流检测
至采集卡Vin3
电源模块
105
工作电源
+5V，+12V
方位控制与方位驱动
106
CPU复位信号N1.8
至FPGA
方位控制与方位驱动
107
写方位命令
I2C接口
方位控制与方位驱动
108
读方位
I2C接口
方位控制与方位驱动
109
模拟8位编码器输出
ARM产生
方位控制与方位驱动
110
驱动A、B、C、D相
至ARM
方位控制与方位驱动
111
反馈A、B、C、D相
至ARM
方位控制与方位驱动
3.2主处理芯片介绍
3.2.1FPGA（EP3C25）
FPGA模块使用的是EP3C25系统，该系统属于FPGA-Cyclone
系列。
Altera公司于2007年07月宣布开始发售业界的首款65nm低成本FPGA-Cyclone
系列，Cyclone
FPGA含有5～120KB逻辑单元（LE），288个数字信号处理（DSP）乘法器，存储器达到4Mb。
在可编程逻辑发展历史中，Cyclone
FPGA比其他低成本FPGA系列能够支持实现更多的应用[5]。
对于软件无线电（SDR），Cyclone
系列在单个器件中集成了所需的逻辑、存储器和DSP乘法器等信号处理功能，成本非常低；与前一代产品和竞争产品相比，Cyclone
FPGA的低功耗、高密度和充足的DSP功能使设计人员可以在大量新的无线应用中使用低成本系列产品；在视频和图像处理应用中，Cyclone
FPGA恰当地结合了DSP乘法器、存储器和逻辑资源；Cyclone
器件针对显示应用进行了优化，是第一款能够满足所有1080pHDTV性能需求的低成本FPGA。
3.2.2ARM（AT91SAM9G20）
ARM模块使用的是AT91SAM9G20系统。
AT91SAM9G20微处理器是由ATMEL公司生产的，这款400MHz的微处理器具有ATMEL先进的外设DMA和分布式存储器架构，连同6层总线矩阵，可实现存储器、外设和外部接口之间的多重数据同时传送，而无需耗费CPU的时钟周期。
其外部总线接口（EBI）的时钟频率为133MHz，用于片外存储器的高速数据传送。
这种架构为器件提供了内部和外部的高数据带宽，能满足许多嵌入式网络应用的要求。
AT91SAM9G20联网和通信的要求通过10/100MBT以太网MAC、7个USART接口、12MbpsUSB全速双端口主机和器件端口、双SPI接口、SSC接口和双线接口（TWI）来进行。
此外，还有一个完全集成的图像传感器接口（ISI），能够满足图像感应的要求。
同时，在所有外设启动的400MHz全功率模式下，AT91SAM9G20的功耗仅为80mW。
而且这款器件还具有4种降低功耗的模式，包括在后备模式中主电源被关断，而器件的功耗非常低（9mW），能够延长电池供电的时间。
AT91SAM9G20不但有效地结合了高性能和低功耗特性，而且价格非常吸引，这些优点使其在市场中得到广泛接受。
3.3ARM系统电路设计
ARM系统电路包括ARM处理器AT91SAM9G20、供电电路、复位电路、时钟电路、存储电路、网络接口电路和串行接口电路。
3.3.1AT91SAM9G20
AT91SAM9G20集成了外部存储控制器（SDRAM控制器和片选逻辑），支持DataFlash、NandFlash和NorFlash系统引导；有1路主USB和1路从USB，主USB可同时连接两路USB设备；内部集成锁相环；96个可编程的I/O口和31路外部中断；具有日历功能的RTC和6路TC计时器；支持串口USART，同步串口SSC等多种通信接口；并集成了10/100Mbps双以太网控制器。
AT91SAM9G20的组成框图如图3.2所示。
图3.2AT91SAM9G20的组成框图
3.3.2供电电路
供电电路中使用了大量的滤波电容，使输出的直流电源更平滑。
同时，每个芯片的电源引脚和地之间都连接了这样的滤波电容，以防止电源噪声影响元件正常工作。
AT91SAM9G20的供电范围如表3.2所示：
表3.2AT91SAM9G20的供电范围
电源域
范围（V）
驱动
VDDCORE
0.9-1.1
内核
VDDBU
0.9-1.1
备份
VDDPLL
0.9-1.1
锁相环
VDDOSC
1.65-3.6
振荡器
VDDANA
3.0-3.6
模拟
VDDIOP0
N/A
N/A
VDDIOP1
N/A
N/A
VDDIOP
1.65-3.6
所有外设
VDDUSB
3.0-3.6
USB收发器
VDDIOM
1.65-1.95或3.0-3.6
存储器
供电电路设计采用1V和3.3V两种电源，核电压为1V，其余为3.3V，上电顺序如图3.3所示。
供电电路中1V电压由5V电压经过DC-DC芯片TPS60500DGSR变换得到，3.3V电压由5V电压经过线性稳压芯片LT1963AEQ-3.3得到，1V电压的上电顺序由比较器LM293和三极管IRLML6402控制。
图3.4显示了DC-DC芯片TPS60500DGSR将5V转换为1V的过程，图3.5显示了稳压芯片LT1963AEQ将5V电压转换为3.3V的过程。
图3.3上电顺序时序图
图3.41V供电电路
图3.53.3V供电电路
ARM供电电路的滤波电容如图3.6所示，
图3.6ARM的滤波电容
3.3.3复位电路
复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。
在AT91SAM9G20中，提供系统复位功能的是nRST管脚，nRST管脚上的低电平有效使得AT91SAM9G20复位，复位电路如图3.7所示。
图3.7复位电路
3.3.4时钟电路
AT91SAM9G20正常工作需要提供启动时钟的慢时钟和正常工作时钟的主时钟2个时钟源。
AT91SAM9G20时钟发生器内置慢时钟振荡器、主振荡器、两个PLL及分频器模块，组成框图如图3.8所示。
从硬件设计上看，AT91SAM9G20需要外接两个晶体，如图3.9和图3.10所示，在AT91SAM9G20与慢时钟振荡器对应的脚XIN32、XOUT32之间接32.768KHz的晶体，作为AT91SAM9G20的慢时钟；在AT91SAM9G20与主振荡器对应的脚XIN、XOUT之间接18.432MHz的晶体，作为AT91SAM9G20正常工作的各种时钟源。
外部晶体的振荡频率最高只有18.432MHz，但是AT91SAM9G20处理器时钟通过编程可达400MHz，这是因为AT91SAM9G20内部有两个锁相环，称为PLLA和PLLB，其中，锁相环A输出400-800MHz的时钟，锁相环B输出100MHz的时钟。
图3.8时钟发生器的组成框图
图3.9接外部晶振作慢时钟
图3.10接外部晶振作时钟源
锁相环是一种反馈电路，其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。
PLL通过比较外部信号的相位和由压控晶振（VCXO）的相位来实现同步的，在比较的过程中，锁相环电路会不断根据外部信号的相位来调整本地晶振的时钟相位，直到两个信号的相位同步。
在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。
因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。
因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。
3.3.5存储电路
存储电路分为FLASH存储器电路和SDRAM存储器电路。
1.FLASH存储器电路
由于微控制器运行的代码需要存储在非易失的存储介质中，以确保掉电后程序也不丢失。
而AT91SAM9G20只有64K字节片上ROM，这就对片内存储的代码大小提出了限制，而实际嵌入式系统的代码大小一般都超过64K。
因此在实际的硬件设计中，会采用外扩的FLASH存储器存放程序代码，目前用的非易失的存储介质通常是FLASH。
FLASH即为闪存，有许多种种类，从结构上分主要有NandFlash、NorFlash等，这些都是目前主流的类型，在嵌入式系统中，一般用FLASH来存放需要永久保存的程序和数据，掉电后不会丢失。
而用SDRAM来存放系统运行时的数据，掉电后则消失。
综合各方面的性能，NandFlash更优，它拥有较快的擦除和写入速度（大多数的写入操作需要先进行擦除操作）；在更低的成本上获得更大的容量；它的每个块最大擦写次数是100万次，远高于NorFlash的10万次，拥有更长的使用寿命；并且NandFlash的擦除单元（NorFlash的擦出块单元为64～128KB，NandFlash的擦除块单元为8～32KB）更小，相应的擦除电路更简单。
但是在NandFlash中，位反转的问题更加严重，在使用NandFlash时必须同时使用EDC/ECC算法来确保其可靠性，并且NandFlash器件中的坏块是随机分布的，如果通过可靠的方法不能进行坏块扫描，则将导致较高的故障率。
与此同时，NorFlash闪存的连接方式类似于其他存储器，并可以直接运行代码，而不像NandFlash器件上始终必须进行虚拟映射。
并且在NorFlash器件上运行代码不需要任何的软件支持，在进行写入和擦除操作时，NorFlash器件所需要的MTD（闪存技术驱动程序）相对较少，驱动程序还可用于对DiskOnChip产品进行仿零点和闪存管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。
虽然NandFlash的性能较好，但是NorFlash带有SRAM接口,有足够的地址引脚，可以很容易的对存储器内部的存储单元进行直接寻址。
在实际的系统中，可以根据需要选择ARM处理器与NorFlash的连接方式。
NorFlash的操作最更加方便，电路也更为简易易懂。
此外，DataFlash也是目前主流的一种闪存类型。
DataFlash是Atmel公司新推出的大容量串行Flash存储器产品，具有体积小，容量大，功耗低和硬件接口简单的特点。
它是Atmel私有的接口，与兼容SPI标准。
信息从DataFlash芯片被写并且读使用所有微型控制器，非常易于构成微型测量系统。
本次设计中，这三种Flash存储我们使用DataFlash，电路图如3.11所示，采用的都是并行存储方式。
图3.11FLASH存储器
2.SDRAM存储器电路
AT91SAM9G20只有两个16K字节片上SRAM，而一般程序运行时需要更大的内存，因此在实际的硬件设计中，需要外扩存储空间。
SDRAM（SynchronousDynamicRandomAccessMemory）,即同步动态随机存取存储器，工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准，存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失。
SDRAM的特点是：
体积小、容量大、相对价格便宜、存取的速度相对较慢、耗电量小、控制起来相对复杂、需要定时进行刷新操作。
SDRAM一般都是行列地址复用的，数据可以自由指定地址进行数据读写。
SDRAM是对bank结构，例如在一个具有两个bank的SDRAM的模组中，其中一个bank在进行预充电期间，另一个bank则马上可以被读取，这样可以大大提高存储器的访问速度。
在SDRAM芯片中一般会有实现bank选择的引脚，用于实现多个bank的选择。
目前常用的SDRAM为8bit/16bit数据宽度、工作电压一般为3.3V，主要生产厂商为Micron、HynixI、Winbond等，若同类器件具有相同的电气特性和封装形式可通用。
但在使用SDRAM时要注意ARM芯片是否具有独立的SDRAM的刷新控制逻辑，若有可直接与SDRAM接口，若无则不能直接与SDRAM连接。
SDRAM通过对电容的充放电完成存储操作，但因电容本身有漏电问题，所以内存中的数据要持续不断地存取，存储在SDRAM中的数据必须不断地刷新以保持数据的完整性，否则数据将会丢失。
通常使用特定的刷新电路来对SDRAM中存储的数据进行刷新工作。
SDRAM存储器采用2片MT48LC16M16A2P，实现32位位宽数据存取。
SDRAM的原理框图如图3.12所示。
图3.12SDRAM的原理框图
SDRAM控制信号的引脚介绍：
RAS：
行地址选通信号，为输入信号，低电平有效。
CAS：
列地址选通信号，为输入信号，低电平有效。
SDWE：
写使能信号，为输入信号，低电平有效。
SDA10：
地址信号，为输入信号。
SDCKE：
时钟使能信号，为输入信号，高电平有效。
CKE信号的用途有两个：
一、关闭时钟以进入省电模式；二、进入自刷新状态。
CKE无效时，SDRAM内部所有与输入相关的功能模块停止工作。
SDCK：
时钟信号，为输入信号。
SDRAM所有输入信号的逻辑状态都需要通过CLK的上升沿采样确定。
SDCS：
片选信号，为输入信号，低电平有效。
只有当片选信号有效后，SDRAM才能识别控制器发送来的命令。
设计时注意上拉。
本设计中，SDRAM与AT91SAM9G20的连接电路如图3.13所示
图3.13SDRAM与AT91SAM9G2连接
3.3.6网络接口
AT91SAM9G20内嵌有以太网控制器，使用DAVICOM公司生产的以太网控制芯片DM9161作为AT91SAM9G20与以太网连接的物理层接口芯片。
DM9161是一款低功耗，高性能的CMOS芯片
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