CN217718457U - 一种基于fpga的多类型传感器信息采集通用电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于FPGA的多类型传感器信息采集通用电路，串行通讯单元通过数据接口与FPGA处理单元进行通信，FPGA处理单元通过总线连接CPU或DSP，FPGA处理单元与传感器信号处理单元之间进行数据传输，获得传感器的数据信息。本发明包含了多种常用类型的传感器的接口、调理和采集电路。利用FPGA具有强大的并发处理能力，且具有集成度高、灵活性强的特点，能够完成时序和组合逻辑复杂的功能和任务。通过FPGA设计能够并行处理多通道传感器信息，有效减少应用层软件采集传感器信息导致的资源消耗。有利于提升应用层软件对控制***数据处理效率，减小控制指令执行间隔，提升控制效果。

Description

一种基于FPGA的多类型传感器信息采集通用电路

技术领域

本发明涉及电路领域，尤其是一种传感器信息采集电路。

背景技术

光电探测设备是涉及光、电等多领域技术的综合体，其中包含的温补调焦电路是涉及光学参数调整、光机结构运动控制、伺服电机驱动的重要交叉功能电路。多类型的传感器信息采集是其重要功能组成，能够及时采集传感器数据，减小数据延迟，为后续应用层软件对多传感器的数据进行融合，提供控制指令最新输入数据，对于提高温补调焦部分光机控制准确度具有重要价值。

温补调焦电路为光电探测设备产品组件的重要组成部分，需要根据整体方案设计的不同，需要配合使用不同类型和不同接口的多种传感器。当前某型产品工作过程中涉及多种传感器，包含温度传感器、湿度传感器、压力\压差传感器、直线位移传感器、接近开关、增量式编码器、多圈码盘等。在DSP+CPLD处理单元架构，受到CPLD资源有限的限制，CPLD仅提供部分简单接口功能，在传感器采集电路设计过程中，难以实现较为丰富的传感器采集接口，并且传感器信息采集任务主要由DSP完成，这就造成了DSP在采集传感器数据这种重复性的工作消耗了大量的时间和计算资源，但是采集速率和效率仍旧较低。DSP+CPLD处理单元架构已经不能满足当前***信息处理功能的需求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于FPGA的多类型传感器信息采集通用电路，保证了传感器数据采集的及时性和有效性，有利于提高控制***控制准确度，具有广阔的应用前景。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于FPGA的多类型传感器信息采集通用电路，包括电源转换单元、FPGA处理单元、传感器信号处理单元和串行通讯单元，串行通讯单元通过数据接口与FPGA 处理单元进行通信，FPGA处理单元通过总线连接CPU或DSP，FPGA处理单元与传感器信号处理单元之间进行数据传输，获得传感器的数据信息。

所述电源转换单元的输入采用+28V电源输入，输出为±15V，+5V，+3.3V，+2.5V，+1.8V，+1.2V，多种电源转换均在板卡电路上完成。

所述FPGA处理单元，采用国产4V系列FPGA芯片。

所述传感器信号处理单元包括模拟类传感器信号处理单元和数字类传感器信号处理单元，其中温度传感器、压力传感器和LVDT直线位移传感器为模拟类传感器信号处理单元提供模拟量信号，接近开关、ABZ增量式电机编码器、SSI接口码盘和串行通信接口传感器为数字类传感器信号处理单元提供传感器的数据信息；模拟类传感器信号处理单元中，传感器输出的信号经过信号调理电路将采集的模拟量信号经过隔离、衰减、放大、滤波后，作为模拟/数字转换器的输入，然后将模数转换后的信号传送到 FPGA；数字类传感器信号处理单元根据不同类型的数字传感器，采用不同的电路进行预处理，使用光耦隔离电路隔离接近开关信号，接近开关经光耦隔离后，经电平转换到FPGA；使用差分驱动电路和差分接收电路对SSI接口码盘、ABZ增量式电机编码器差分信号进行收发处理，SSI接口码盘信号经收发器然后经电平转换到FPGA；使用总线驱动电路对传感器+5V/0V信号接口与FPGA+3.3V/0VI/O接口进行电平转换，总线驱动电路作为电平转换电路使用，是许多传感器与FPGA之间常用的电平转换电路，之后由FPGA根据传感器和相关电路时序要求及通讯协议，读取传感器的数据信息。

所述串行通讯单元通过串口通讯单元与串行通讯接口传感器或***主控进行通讯，串行通讯单元包括串行通讯控制器、差分接收器、差分驱动器，串行通讯控制器连接FPGA进行通信，串行通讯控制器分别连接差分接收器和差分驱动器，串行通讯控制器通过差分驱动器连接外部通讯对象，外部通讯对象将接收的信号通过差分接收器反馈至串行通讯控制器，串行通讯控制器再和FPGA进行通信，串行通讯控制器与FPGA 配合完成串行通讯功能。

所述模拟类传感器信号处理单元中，LVDT直线位移传感器采集的信号进入LVDT信号调节电路调节后，进入模拟/数字转换器进行模数转换，转换后的信号通过总线驱动器进行驱动，并通过I/O与FPGA进行数据传输。

本发明的有益效果在于提出了一种基于FPGA的多类型传感器信息采集通用电路，包含了多种常用类型的传感器的接口、调理和采集电路。利用FPGA具有强大的并发处理能力，且具有集成度高、灵活性强的特点，能够完成时序和组合逻辑复杂的功能和任务。通过FPGA设计能够并行处理多通道传感器信息，有效减少应用层软件采集传感器信息导致的资源消耗。有利于提升应用层软件对控制***数据处理效率，减小控制指令执行间隔，提升控制效果。

附图说明

图1是本发明基于FPGA的多类型传感器信息采集通用电路架构框图。

图2是本发明串行通讯硬件单元架构框图。

图3是本发明LVDT直线位移传感器硬件单元架构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

为了使该电路的技术方案及优点更加明晰，以下结合图1、图2、图3，对该通用采集电路进行详细说明。

通用采集电路由电源转换单元、FPGA处理单元、传感器信号处理单元、串行通讯单元组成。模块化的组成可以保证了该采集电路具有良好的拓展性，可根据具体技术需求进行相应的裁剪和进一步丰富。

一种基于FPGA的多类型传感器信息采集通用电路，包含多种不同类型和不同接口的多种传感器的处理和采集电路，能够实现对多种传感器的数据采集，包括温度传感器、湿度传感器、压力\压差传感器、直线位移传感器、接近开关、增量式编码器、多圈码盘等。其中包含数字、模拟类温度传感器，数字类温度传感器通讯接口包含ABX 接口，SSI接口，单总线接口，422接口等。据此，通用采集电路能够实现对常用各类型传感器的数据采集功能。

实施例如下：

一种基于FPGA的多类型传感器信息采集通用电路，基于FPGA的多类型传感器通用采集电路硬件架构如图1所示，包括电源转换单元、FPGA处理单元、传感器信号处理单元和串行通讯单元，串行通讯单元通过I/O与FPGA处理单元进行通信，FPGA处理单元通过总线连接指CPU或DSP，FPGA处理单元与传感器信号处理单元之间进行数据传输，获得传感器的数据信息，电源转换单元为FPGA处理单元、传感器信号处理单元和串行通讯单元提供所需的电压。

所述电源转换单元的输入采用+28V，输出为±15V，+5V，+3.3V，+2.5V，+1.8V， +1.2V，多种电源输出均在板卡电路上完成，能够有效避免低压电路在导线传输过程中由于电源压降导致板卡不能正常工作的情况发生，有利于产品抗干扰性，提高可靠性。

所述FPGA处理单元，采用国产4V系列FGPA芯片，用于数据处理和分析，具有强大的并行处理能力和丰富的接口资源，有速度快、精度高的特点，能够满足多种传感器信息采集的功能需求。

所述传感器信号处理单元包括模拟类传感器信号处理单元和数字类传感器信号处理单元，其中湿度传感器、压力传感器和LVDT直线位移传感器为模拟类传感器信号处理单元提供模拟量信号，接近开关、ABZ增量式电机编码器、SSI接口码盘和串行通信接口传感器为数字类传感器信号处理单元提供传感器的数据信息；模拟类传感器信号处理单元中，传感器输出的信号经过信号调理电路将采集的模拟量信号经过隔离、衰减、放大、滤波后，使信号适合于模/数转换器(A/D)的输入，然后将转换后的信号传送到FPGA；数字量信号调理转换电路的数字信号传输；数字类传感器信号处理单元中，针对不同类型的数字传感器，包括光耦隔离电路、差分发送驱动电路、差分接收电路和总线驱动电路，由FPGA根据传感器和相关电路时序要求及通讯协议，读取传感器的数据信息。

所述串行通讯单元通过串口通讯单元与串行通讯接口传感器或***主控进行通讯。

串行通讯硬件单元架构框图如图2所示，串行通讯单元包括串行通讯控制器、差分接收器、差分驱动器，串行通讯控制器连接FPGA进行通信，串行通讯控制器连接差分接收器和差分驱动器，串行通讯控制器通过差分驱动器连接外部通讯对象，外部通讯对象将接收的信号通过差分接收器反馈至串行通讯控制器，串行通讯控制器再和 FPGA进行通信；串行通讯控制器与FPGA配合完成串行通讯功能，能够实现波特率、数据位长度、停止位长度、校验类型软件可调，最多可支持4路通讯接口。此部分， FPGA按照串行通讯控制器的时序要求，配合CPU执行串口通讯控制芯片初始化执行，配置外部时钟频率、波特率发生器和串行特性(数据位位数、奇、偶或者无奇偶校验位的生成与探测、停止位位数)，完全优先级中断***控制，调制解调器控制功能；并将串口通讯数据收到的数据存储在指定地址寄存器，以便CPU根据接收中断读取；并将CPU需要发送数据按照时序要求传送给串性通讯控制器，有效避免了CPU来执行反复的时序指令，有效简化了CPU完成通讯任务的程序的复杂度。

LVDT直线位移传感器的硬件单元框图架构如图3所示，模拟类传感器信号处理单元中，LVDT直线位移传感器采集的信号进入LVDT信号调节电路调节后，进入模拟/数字转换器进行模数转换，转换后的信号通过总线驱动器进行驱动，并通过I/O与FPGA 进行数据传输；将LVDT直线位移传感器作为模拟类传感器处理电路的代表进行说明，根据传感器的需求，通过处理电路，将模拟类传感器的可采集信号变化为电压信号，通过A/D(模/数转换)电路进行采集，并通过可调节采集范围的高精度A/D的配备和高精度基准电压源，保证了传感器信号的采集精度。

FPGA控制A/D转换的流程为：通过FPGA控制A/D转换，实现模拟传感器信号的数字采集，利用FPGA时间精度高的特点，能够满足A/D转换芯片的控制时序要求，避免了通过应用层软件直接控制A/D的较多时间资源和计算资源的消耗，保证实现了应用层软件对模拟传感器数据的随用随取。

FPGA控制数字温度传感器18B20的流程为：数字类传感器处理单元中，数字类传感器分为两类，只收不发类型的传感器(需进一步区分差分信号和单端信号)，例如， ABZ接口增量式编码器，接近开关；收发型传感器，例如18B20单总线数字温度传感器，SSI接口码盘等。此处以18B20单总线数字温度传感器信号采集为例进行说明。 18B20数字温度传感器为单总线器件，提供12位摄氏温度测量分辨率，微控制器通过单总线接口与该器件进行通讯。使用该器件避免了模拟温度传感器容易受到干扰的特点，但是采集时序较为复杂，并对采集时序的精准度要去较高。并且每个传感器都要占用一个3.3V或5V的双向IO口。此时可利用FPGA采集接口丰富，执行时序精准的特点，使用FPGA电路对多路传感器实时采集。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的多类型传感器信息采集通用电路，包括电源转换单元、FPGA处理单元、传感器信号处理单元和串行通讯单元，其特征在于：

所述基于FPGA处理单元的多类型传感器信息采集通用电路，串行通讯单元通过数据接口与FPGA处理单元进行通信，FPGA处理单元通过总线连接CPU或DSP，FPGA处理单元与传感器信号处理单元之间进行数据传输，获得传感器的数据信息。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的多类型传感器信息采集通用电路，其特征在于：

所述电源转换单元的输入采用+28V电源输入，输出为±15V，+5V，+3.3V，+2.5V，+1.8V，+1.2V，多种电源转换均在板卡电路上完成。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的多类型传感器信息采集通用电路，其特征在于：

所述FPGA处理单元，采用国产4V系列FGPA芯片。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的多类型传感器信息采集通用电路，其特征在于：

所述传感器信号处理单元包括模拟类传感器信号处理单元和数字类传感器信号处理单元，其中温度传感器、压力传感器和LVDT直线位移传感器为模拟类传感器信号处理单元提供模拟量信号，接近开关、ABZ增量式电机编码器、SSI接口码盘和串行通信接口传感器为数字类传感器信号处理单元提供传感器的数据信息；模拟类传感器信号处理单元中，传感器输出的信号经过信号调理电路将采集的模拟量信号经过隔离、衰减、放大、滤波后，作为模拟/数字转换器的输入，然后将模数转换后的信号传送到FPGA；数字类传感器信号处理单元根据不同类型的数字传感器，采用不同的电路进行预处理，使用光耦隔离电路隔离接近开关信号，接近开关经光耦隔离后，经电平转换到FPGA；使用差分驱动电路和差分接收电路对SSI接口码盘、ABZ增量式电机编码器差分信号进行收发处理，SSI接口码盘信号经收发器然后经电平转换到FPGA；使用总线驱动电路对传感器+5V/0V信号接口与FPGA+3.3V/0V I/O接口进行电平转换，总线驱动电路作为电平转换电路使用，是许多传感器与FPGA之间常用的电平转换电路，之后由FPGA根据传感器和相关电路时序要求及通讯协议，读取传感器的数据信息。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的多类型传感器信息采集通用电路，其特征在于：

所述串行通讯单元通过串口通讯单元与串行通讯接口传感器或***主控进行通讯，串行通讯单元包括串行通讯控制器、差分接收器、差分驱动器，串行通讯控制器连接FPGA进行通信，串行通讯控制器分别连接差分接收器和差分驱动器，串行通讯控制器通过差分驱动器连接外部通讯对象，外部通讯对象将接收的信号通过差分接收器反馈至串行通讯控制器，串行通讯控制器再和FPGA进行通信，串行通讯控制器与FPGA配合完成串行通讯功能。

6.根据权利要求4所述的基于FPGA的多类型传感器信息采集通用电路，其特征在于：

所述模拟类传感器信号处理单元中，LVDT直线位移传感器采集的信号进入LVDT信号调节电路调节后，进入模拟/数字转换器进行模数转换，转换后的信号通过总线驱动器进行驱动，并通过I/O与FPGA进行数据传输。

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