基于FPGA的无线传感器信号传输模块的设计

由于FPGA具有低功耗、集成度高、开发周期短、低成本、高性能等优点。因此本系统选用FPGA Spartan-6系列的XC6SLX9作为主控单元。采用三向振动传感器完成力学环境中振动量的测量。硬件系统包括低通模拟滤波电路模块、A/D转换电路模块、FPGA模块、CC3200射频电路模块。
三向振动传感器产生3路0~5V标准电压模拟量，先经过二阶低通滤波器，去除高频噪声，然后经过放大、跟随处理，传输到ADS8365模数转换模块转换为数字量，传输到FPGA控制模块进行滤波、编码后，发送到射频电路模块由CC3200将数据转换为WiFi通讯协议格式后，通过载波信号发送出去。最后由上位机对数据进行检测、分析。
为了避免传感器采集的模拟信号在传输过程中受到电磁干扰的影响，需要在模拟型号输入A/D模块之前进行滤波处理。由于电磁干扰的频率大都远高于2kHz，本文设计中采用有源二价低通滤波电路进行滤波处理这样可以有效提高模数转换模块的精度。U1 OPA234以及外围的配置电路组成了典型的压控式有源二阶滤波电路，该滤波电路的截止频率为2kHz，可以有效滤除高频率噪声。OPA234以及R3、R4构成滤波电路自带的放大功能，由于本模块所采用的传感器模块输出0~5V电压，符合A/D的直接采集要求，所以滤波电路的放大倍数应趋于1。
由于三向传感器的模拟量输出有3路，所以选择DDS8365作为模数转换模块，ADS8365具有6个模拟量输入端，其内部集成6个数据转化互不干扰ADCs，各通道采样率均为250KSPA，16位数字信号并行输出，可以达到1/216的分辨率，完全满足了模拟量、采样率以及分辨率的要求，由于模拟输入量只有3路，其余3路输入接口均采用10KΩ电阻进行拉高处理，保留的3路使用单端输入模式。
ADS8365内部实现了数字与模拟部分的完全隔离，所以采用不同的供电方式，其中模拟部分采用+5V供电电源，数字部分采用+3.3V供电电源，所以其数字电路部分的引脚可以通过22Ω排阻直接与FPGA相连接，不需要进行电平转换，降低了设计成本，也减小了模块设计的密度与体积。
模块中FPGA的最主要功能就是对ADS8365进行时序控制，以固定的采样频率获取模拟输入信号然后转为数字信号，并对数字信号进行FIR滤波处理，然后对数字信号进行编码。最后FPGA通过无线模块反馈信息对编码后的数据进行串并转换并输给无线收发模块。
本文中的FPGA有3.3V和1.2V2个供电电平，采用MP1482同步整流减压转换器进行供电电平的转换。MP1482为电源可调的电源芯片。电路设计中，采用了50MHz有源晶振作为FPGA的工作时钟，通过特定的引脚输入输出。

由于内部集成了DC-DC电压转换器，所以CC3200能够适应不同和电流供应，即稳定外部1.85V供电和宽范围供电模式。这样的设计方式使CC3200的供电电源可以选择相对不稳定的电池供电，使用方式更加灵活方便。
由于内部没有集成的ROM，CC3200在程序运行时需要将程序存储在外部提供的串行SPI接口ROM实现，本设计中选用W25Q8BLSNIG作为外部ROM提供程序的存储功能。上电后，CC3200的程序读取由外部SPI接口ROM实现，然后进行内部寄存器配置。
在FGPA的控制逻辑设计中，主要任务为ADS8365模数转换模块的采集时序控制，在进行模数转换时，ADS8365需要16个时钟周期来完成，其中4个周期完成数据读取。当数据转弯完成并存入相应的寄存器以后，ADS8365引脚EOC会自动降低半个周期，同时，FPGA将RD和CS引脚置低以后，可以读取模数转换的结果。
本文的针对模块数据传输的可靠性以及无线通信进行验证，在数据传输可靠性试验方面，使用三向振动传感器产生信号，X方向设定为锯齿波的振动模式，其中振动最低和最高频率分别为20Hz和2kHz，Y方向为正弦波的模式，Z方向为锯齿波的模式。转换完成的数据回收到上位机时采用UART转USB进行传输，使用HexEdit软件观察。并利用MATLAB进行数据分析。
从软件观察结果完全看出，实际测试时3个通道同时进行，帧计数完全连续，收回的数据帧格式也完全对齐，所以不存在丢失和误码情况。
由于实际测试的周期较长，本文只选用一个周期的数据进行分析，由数据分析图与实际测试的情况相对比可以清楚地看出，模块的模数转换符合实际工作状态。充分验证了模块信号传输的可靠性高。
无线通信验证方面主要验证模块在数据无线传输中是否出现误码和丢帧的现象。本文采用模块作为终端，WiFi无线路由器作为AP，三向振动器产生的信号作为模拟输入。在实际测量中，在4分11秒的时间内读取了19.866MB数据，数据传输的速率为0.079MB/s。
分析结果表明，数据传输完全正确，不存在的误码或者丢帧的现象。在后续多次测试以后，模块在传输中虽然出现丢帧现象，但出现的几率非常低，并且在规定的容错范围内。这充分验证了模块无线传输的可靠性。
本文设计设计的无线采集传输系统模块，可以将近距离传感器模块产生的信号进行模数转换，并通过WiFi技术将数据进行无线传输，且无线传输速率可以满足实际需求。通过多次的实际验证，模块实现了模数转换以及无线传输功能，具有较高的可靠性，可以有效地节省空间，提高飞行器的荷载比，并且系统成本低廉，结构简单，具有较高的使用价值。
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