计算机课程设计报告

基于FPGA漏磁检测电路设计计算机课程设计论文题目：基于FPGA的漏磁检测电路设计学院：测试与光电工程学院专业名称：电子科学与技术班级学号：09083120学生姓名：陶智指导教师：柴明钢二零一二年六月基于FPGA漏磁检测电路设计1基于FPGA漏磁检测电路设计学生姓名：陶智班级：090831指导老师：柴明钢摘要:铁磁材料缺陷的漏磁检测是一种有效的无损检测技术，能够在不影响和破坏材料的属性的情况下，完成对设备和材料存在的缺陷检测。它在提高生产安全性、防止事故的发生、减小经济损失中发挥非常重要的作用。传统的集成电路设计中，传感器的控制通常由MCU（以C51单片机为代表）来完成。以往的传感器，其精度比较低，采样周期较长，MCU尚且可以胜任。但是随着对检测速度、精度的要求越来越高，检测过程会产生非常大的数据，处理和保存这些数据就超出了MCU的能力，因此很有必要对检测技术进行改进。FPGA(Field-ProgrammableGateArray现场可编程门阵列)具有高速、高集成度和在线可编程等优点，在设计过程中具有极大的灵活性和可靠性，本设计中采用Altera公司的Cycloneii系列EP2C5T144C8N。本次设计根据漏磁检测原理，设计了基于FPGA的漏磁检测硬件电路控制模块，克服传统的以MCU作为控制器带来的采样速度和效率上的瓶颈。这些模块主要包括磁场信号采集、通道选择、模数转换、串口通信等4个模块。其中磁场信号采集利用霍尔传感器UGN3503，通道选择用CD4052BE实现,模数转换用ADC0809实现；串口通信模块实现FPGA与PC机通信。在设计过程中，用VHDL语言来编写总体控制部分实现对各模块的控制，包括控制通道选择的地址信号、控制模数转换的开始与停止及控制FPGA的串口发送。从QUARTUSII软件仿真结果可以看出，FPGA作为总体控制模块，能够实现数据的实时采集，体现了其对外围电路的良好控制性。从调试结果可以得出，基于FPGA的漏磁检测系统及控制具备相当的可行性及实用性。关键字：漏磁检测FPGA信号采集串口通信基于FPGA漏磁检测电路设计2目录1引言...................................................................................................................................32系统的软件设计..........................................................................................................32.1设计平台QuartusII............................................................................................42.2通道选择控制模块.................................................................................................42.3A/D转换控制模块...................................................................................................52.4串口通信模块...........................................................................................................62.5分频与倍频模块......................................................................................................83仿真与调试...................................................................................................................93.1FPGA调试简介.........................................................................................................93.2通道选择控制模块仿真及调试...........................................................................93.3A/D转换控制模块仿真及调试..........................................................................103.4串口通信模块仿真及调试...................................................................................113.5顶层设计仿真及调试...........................................................................................124设计结果与总结......................................................................................................134.1结果与总结.............................................................................................................13参考文献.................................................................................................................................14致谢.............................................................................................................................................14基于FPGA漏磁检测电路设计31.引言管道作为一种经济、高效而安全的物料传输手段，在石油化工及天然气等产业中具有不可替代的作用。但铁磁性油气输送管道因长时间的腐蚀、磨损及意外的机械损伤等原因会形成机械裂纹和腐蚀穿孔等各种缺陷。如果不能及时发现、修理这些缺陷，将导致输送效率降低、输送介质泄露等恶性事故。因此研究高效、经济可行的管道长距离无损检测技术及研发高精度在线管道漏磁检测系统具有极大的现实意义和经济效益。管道检测技术的研究已有近四十年历史，它是一个涉及多学科领域的研究项目，具有大量的理论研究问题和大量的工程技术问题。六十年代初，美英率先将无损检测技术(NDT)应用于清管器(PIG)上，将原来用于清管作业的PIG改进为具有信息采集、处理、存储等功能的智能检测PIG。随后，各国先后研制出漏磁型、超声型、涡流型的智能检测PIG。目前应用于管道无损检测的方法包括有超声检测、射线检测、涡流检测、漏磁检测及渗透检测，这五种方法就是人们常说的五大常规无损检测技术。除此以外，还包括有微波检测技术、激光检测技术、红外检测技术等非常规检测手段，在这些方法中漏磁检测技术是应用最广泛、技术最成熟的铁磁性管道缺陷检测技术，它适于多种传输介质，对铁损失等最常见的管道缺陷有非常好的检测效果。基于FPGA漏磁检测电路设计42系统的软件设计2.1设计平台QuartusIIFPGA中软件设计的平台是Altera公司的QuartusII开发系统，QuartusII是综合性的PLD开发软件，支持原理图，各种硬件描述语言以及多种设计输入形式，自身带有综合器和仿真器，可以完成从硬件设计，软件设计，仿真到硬件配置的完整设计流程。QuartusII同时支持Altera公司的IP核，包含了各种宏功能模块库，使用户可以直接利用已经经过编译的成熟模块，如本设计中用到的双口RAM模块，简化了设计中的复杂性，并且可以缩短设计的周期。QuartusII的设计输入方法有很多种，可以灵活的运用，主要方法有三种，简要介绍如下：第一种方法就是原理图输入法，这种方法是最为直接的方法，由用QuartusII提供的各种原理图库进行设计输入。为提高效率，采用这种方法输入的时候应采用自顶向下逻辑分块，即把大规模的电路划分成若干小块的方法。一般如果对系统了解很深，并且系统速率的要求较高，或这系统中如果时间特性要求较高，就可以采用这种方法。原理图输入的缺点虽然仿真容易但是效率很低，但是这样的方法便于信号观察以及电路的调整，看起来也很直观。第二种方法就是硬件描述语言输入：QuartusII支持多种硬件描述。描述语言的优点是效率高，结果也容易仿真，信号观察也较方便。但语言输入必须依赖综合器，只有好的综合器才能把语言综合成优化的电路。对于大量的规范的、易于用语言描述、易于综合的电路可以采用这种输入方法。第三种方法网表输入：对在其它软件系统上设计的电路，可以采用这种方法，而不必重新进行输入。现实中为了保证设计的效率，功能的完整往往采用多种方法相结合的方式，而不是拘泥于某一种，例如本设计中就是利用前两种方法相结合，在利用QuartusII自身提供的相关模块基础上自行设计其他模块。这样就可以提高设计的速度和整个FPGA模块的准确度。2.2通道选择控制模块本次设计的漏磁检测系统在实际应用时运用到的传感器量很大，管道轴向和径向一般都要放置传感器。比如说100个传感器的话我们就可以用8个十六选一和1个八选一的数据选择器，这样就需要通道选择控制信号去与这些芯片的地址信号相连，从而选中100个传感器。但是考虑到实验室条件和成本，我只用了四个霍尔传感器，但还是需要通道选择控制模块去选中传感器。系统每隔0.2ms采样一个传感器，所以通道选择模块输出的地址信号的周期为0.2ms(频率为5khz)。而系统用到的EP2C5T144C8芯片的系统时钟为50Mhz，因此需要系统将时钟分频处理。最终得到了实现目标要求的代码。部分代码如下基于FPGA漏磁检测电路设计5所示：--designedbyG_XWtheaddressblockentityaddressisport(clk:instd_logic;address_signal:outstd_logic_vector(1downto0));end;architectureoneofaddressisbeginprocess(clk)variableq:integerrange0to3;beginifclk'eventandclk='1'thenif(q=3)thenq:=0;elseq:=q+1;endif;endif;address_signal=conv_std_logic_vector(q,2);endprocess;2.3A/D转换控制模块ADC0809采样原理比较简单：首先我们给START一个有效的上升沿使0809复位，接着给它一个下降沿，随后状态信号EOC随即变成低电平。此时、进入转换状态，周期约为100µs。转换结束后，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，此时外部可以控制OE由低电平变为高电平，进入有效输出阶段。下图是ADC0809的采样状态图。图3.1ADC08