基于FPGA的信号处理通用硬件平台的设计

1上海工程技术大学大学生创新活动计划项目申请表填表时间：2009年10月25日项目名称基于FPGA的信号处理通用硬件平台的设计申请人何法江所属学院机械工程学院一、申请理由（包括申请人具备的知识条件、特长、兴趣等）（1）二、立项背景（研究现状、趋势、研究意义等，参考文献和其他有关背景材料）本项目的是基于校启动基金项目《微弱脉冲信号处理技术在焊接裂纹微波检测中的应用研究》立项的，在该基金项目中，信号处理硬件平台是专用的。本项目立项目的是搭建一个信号处理的通用硬件平台。在校基金项目中，主要研究基于焊接裂纹的微弱脉冲信号处理技术，在检测中采用新的方法，即将多脉冲相干积累方法和小波变换方法结合起来，并利用FPGA芯片及外围电路实现该方法，以满足工业现场检测的实时性、准确性及检测设备小型化的要求。在微波无损检测技术中，为有效地检测出工件表面的裂纹，提高产品的合格率，微弱信号检测是关键。基于新方法的脉冲微弱信号检测技术在满足实时性的基础上不仅能检测出裂纹，而且使检测系统具有强抗干扰性能。该微弱信号检测新方法的研究具有一定的理论价值，其硬件的研制可直接应用于微波无损检测装置，从而获得直接的经济效益。在信息理论高度发展的今天，仪器化的微弱信号检测原理、技术已日趋成熟，但设备比较复杂、昂贵。校基金项目拟采用多脉冲相干积累和小波变换相结合的方法来检测焊接裂缝的微弱信号，有望降低设备成本，简化理论，使得微波无损检测技术具有更加广阔的应用前景。资料调研表明，微弱信号检测在微波无损检测中处于重要地位，校基金项目中微弱信号检测可降低发射功率，接收功率，从而减小检测仪器的体积。校基金项目的研究成果既可直接应用于其它一般的微波无损检测仪，也是对现有微弱信号检测理论的有效补充。因此，本项的研究更具有应用价值。无论在微波检测还是在生产、科研、电子测量过程中，常需要将淹没在低频噪声中的微弱信号提取出来[1-4]。微弱信号检测技术应用范围遍及光、电、磁、声、医学、激光、材料等领域，其仪器已成为现代科学研究中不可缺少的设备。微弱信号检测技术是采用电子学、2信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号[5-8]。微弱信号检测电路的目的是从强噪声中提取有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。因此，本项目的研究成果可直接应用于其它领域。为了检测被背景噪声淹没的微弱信号，人们进行了长期的研究工作，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点、相关性以及噪声的统计特性，然后利用电子学手段、信息理论和其他物理、数学方法，来对被噪声淹没的微弱信息进行提取、测量。微弱信号检测的首要任务是提高信噪比，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号，从而满足现代科学研究和技术开发的需要。目前，常采用的微弱信号检测方法大致有以下几种方法[9-16]：（1）生物芯片扫描微弱信号检测方法。该方法中根据生物芯片相对激光器及探测器是否移动来对生物芯片进行扫读，有扫描检测和固定检测之分。(2)锁相放大器微弱信号检测。锁相放大器由于具有中心频率稳定，通频带窄，品质因数高等优点得到广泛应用。(3)微弱振动信号的谐波小波频域提取。(4)基于噪声和混沌振子的微弱信号检测。该方法利用非线性系统的周期解所发生的本质变化来检测微弱信号。调研与研究发现，在信息时代，信号处理技术起着举足轻重的作用，因此，基于FPGA的信号处理通用硬件平台的设计具有一定的经济和社会价值。参考文献：[1]Uvaisov,S.U.;Grodzenskaya,I.S.Thedetectionofaweaksignalonabackgroundofinterferenceinthecaseofarayleighdistribution.MeasurementTechniques,v49,n4,April,2006,p395-399.[2]Tuzlukov,Vyacheslav.Detectionofweaksignalsbygeneralizeddetector.InternationalGeoscienceandRemoteSensingSymposium(IGARSS),v2,1999,p1384-1386.[3]Shevlyakov,Georgy;Kim,Kiseon.Robustminimaxdetectionofaweaksignalinnoisewithaboundedvarianceanddensityvalueatthecenterofsymmetry.IEEETransactionsonInformationTheory,v52,n3,March,2006,p1206-1211.[4]王立刚,张殿元.低噪声光电检测电路的研究与设计.电测与仪表,2007(44),P63-66.[5]曾庆勇.微弱信号检测[M].杭州:浙江大学出版社,1994.47-1052.[6]唐洪宾.同步积分器-噪声中提取微弱信号的一种方法[J].南京:南京大学学报(自然科学版),1979,(1).[7]陈佳圭.微弱信号检测[M].北京:中央广播电视大学出版社,1987.[8]Delic,Hakan.Distributedweaksignaldetectionandasymptoticrelativeefficiencyindependentnoise.SignalProcessing,v77,n3,Sep,1999,p335-342.[9]王蕴珊.微弱信号的电子检测电路设计的研究.英才高职论坛,2007(1),P41-51.[10]Ehara,Naoki;Sasase,Iwao;Mori,Shinsaku.Weakradarsignaldetectionbasedonwavelettransform.ICASSP,IEEEInternationalConferenceonAcoustics,SpeechandSignalProcessing-Proceedings,v2,1994,p377-380.[11]Bashin,G.M.Multialternativeinvariantdetectionofaweakfadingsignalagainstabackgroundofstationaryinterferenceofunknownintensity.TelecommunicationsandRadioEngineering(EnglishtranslationofElektrosvyazandRadiotekhnika),v47,n6,Jun,1992,p91-94.[12]马平,唐小萍,罗正全.生物芯片扫描微弱信号检测方法[J].微纳电子技术,2002.3[13]林凌,等.一种新型锁相放大器检测电路[J].天津大学学报,2005.[14]何正嘉,訾艳阳,孟庆丰等.机械设备非平稳信号的故障诊断原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2001.[15]李舜酩.高速旋转机械运行状态检测与故障诊断方法的研究[D].西安:西安交通大学建筑工程与力学学院,1998.[16]李泽蓉.基于噪声和混沌振子的微弱信号检测[J].机械制造与研究,2003.三、项目方案本项目拟采用FPGA芯片来实现信号处理通用硬件平台的搭建，其系统设计如图1所示。图1FPGA系统组成结构本项目拟采用多片低速ADC通过并行的方式来实现高速采样。采用M片ADC对同一信号采样，各片ADC采样频率相同，但其采样时钟的相位依次相差Mπ2，各片ADC的采样数据最后依次组合成系统采样数据。并行采样的等效采样频率为单片ADC采样频率的M倍。若采用两个工作时钟反相的ADC对同一信号同时采样可达到采样频率加倍的效果。原理如图2所示。图2双时钟并行采样工作原理FPGAXC3S200复位JTAG时钟配置电源1.2V3.3V2.5V连接A/D工作模式选择输入信号采样时钟A采样时钟B等效采样时钟NN+1N+2N+3N+4N+5N+6N+7N+8N+9N+10N+114并行配置模式适用于系统有多块FPGA芯片时，本设计只需一块FPGA芯片和一块配置芯片，故采用串行配置模式。另外考虑到系统时钟在电路板上可能的微小延时，稳妥起见，采用主串模式，即配置过程中用于FPGA和配置芯片之间的同步时钟信号由FPGA芯片提供。主串模式下配置芯片与FPGA芯片之间的管脚连接图如图3所示，由图3画出本设计配置芯片的电原理图如图4所示。图4配置芯片电路原理图主串模式下M0、M1、M2应该分别被设为0、0、0（逻辑低电平），但为了使电路有进一步的灵活性，本设计将M0、M1、M2引脚的高低电平进行跳线设置,如图5所示，这样可根据图3主串模式下FPGA与配置芯片的管脚连线图5情况灵活改变所选择的配置模式。四、预期成果（1）通过资料调研，培养学生创新能力；（2）通过项目总体设计方案的确定，培养学生系统阐述问题，解决问题的能力；（3）通过硬件平台的设计，培养学实际动手能力；（4）通过项目的完成，培养学生的科研能力；（5）通过信号处理平台设计，为应用提供便捷。学院意见：主管院长（签字）年月日学校意见：年月日图5跳线设置状态选择管脚