探测脉冲的产生 - 基于微处理器Nios的电缆故障检测仪设计

3.2 探测脉冲的产生

　　故障检测所用脉冲信号的宽度为20～100 ns，FPGA的工作时钟可以达到200 MHz，在其中生成减法计数器可产生满足脉宽要求的脉冲信号。减法计数器产生脉冲的幅度受限于FPGA的工作电平，对检测来说是不够的，因此从FPGA中出来的方波脉冲还要经过放大，才可以耦合到被检测线缆中去。SN74LVC4245A用作电平转换。sta和pulse_input均来自FPGA。本设计采用的是5 V脉冲幅度，脉冲的馈送采取了晶体管射极驱动的方式。这种驱动方式比较简单，适用的器件也比较多。

　　3.3 A/D转换电路

　　检测脉冲的宽度为20～100 ns，相应的数据采样率在20 MHz和100 MHz之间变化，一般的A/D芯片很难满足采样的要求，而用多片A/D芯片在成本和设计上都比较困难。这里选用美国NS公司的ADC08100，其采样速率为20～100 Msps，此时采样的功耗为1.3 mW/Msps，采样的功耗会随着采样时钟增加而增加，但是采样的特性不会受到影响，因此在采样率多样的系统中一个芯片可以起到多个芯片的作用。根据采样速率的不同，通过一个时钟控制模块产生相应的采样时钟信号，使芯片工作在所要求的速率之下，既可以节约成本，又可以简化设计。ADC08 100和FPGA配合使用，可以方便地改变采样时钟，具有很大的灵活性。

　　A/D转换电路如图3所示。探测脉冲及回波信号需要转换成适合A/D芯片电压水平的信号后再进行采样。脉冲在输入运算放大器之前进行了钳位处理，采用两组倒置的二极管并联，避免脉冲过高而击穿运算放大器。

　　

 

　　图3 A/D转换电路

　　3.4 时钟信号的产生

　　检测脉冲的产生、ADC08100的采样，以及异步FIFO的数据缓存构成了一个高速A/D数据采集系统。这对于各种信号的时间配合要求很高，需要专门的时钟单元来配合，以使电路工作在正确的时序之下。在FPGA中可方便地定制时钟模块来产生A/D采样时钟、异步存储器的读写时钟，以及脉冲发生模块的计数时钟。所有的时钟都是由一个高速的时钟来实现同步的，并且整个系统是在同一个启动信号下同步运行的，从而保证了采样的时序要求。

　　3.5 电源模块

　　系统中既有模拟电路又有高速数字电路，使用电源种类复杂，存在+5 V、+3.3 V、+1.2 V、-5 V等多种电源信号。在电路板设计制作中既要减小高频数字信号对模拟信号的电磁干扰，又要避免各种电源之间的干扰，因此需合理规划模块布局及布线走向以提高信号稳定性。

　　4 软件设计

　　软件设计主要包括FPGA的开发应用、应用程序设计以及液晶显示器的驱动程序设计等。

　　4.1 FPGA开发应用

　　现场可编程逻辑器件FPGA(Field Programming Gate Array)具有高密度、高速度、低功耗、功能强大等特点。在此系统中采用了Altera公司的CycloneII系列器件来实现高速的数据采集、存储功能，是在QuartuslI 7.1软件中使用硬件描述语言VHDL来设计完成的。高密度可编程逻辑器件的设计流程包括：设计准备、设计输入、设计处理和器件编程4个步骤，以及相应的功能仿真(前仿真)、时序仿真(后仿真)和器件测试3个设计验证过程。

　　本设计中，主要包括Nios微处理器、脉冲发生、高速时钟以及高速数据存储FIFO等模块的设计。

　　4.2 应用程序设计

　　应用程序控制检测任务的启动和结束、脉冲发送接收模式的选择、A/D采样数据的处理计算、故障性质和位置的判断以及结果输出等。

　　5.结语

　　本文提出了基于Nios软核的电缆故障检测仪设计方案。对于脉冲反射法检测故障的具体实现，提出了基于现场可编程逻辑器件的高速采样系统的设计思路，并在此基础上对系统进行了全面的设计。仿真和试验结果表明，该系统能够实现对电缆的断路、短路等故障的检测，具有在线监测、易于控制的优点，以及灵活和良好的扩展功能。