基于CCD技术的钢管长度测量系统设计

 　　3．1．3 脉冲信号发生器、反相器的实现

　　脉冲信号发生器由晶体振荡器构成，输出频率为4 MHz的时钟脉冲，作为FPGA的外部时钟，而反相器则可以用一非门电路就可以实现。

　　把上述各部分所产生的symbol用QuartusⅡ提供的Graphic Editor编辑连接起来。进行整体模块仿真，其结果如图4所示。从仿真结果看，达到设计要求。

　　3．2 信号调理电路

　　信号调理器是测试系统的重要部分，它在数据采集系统之前对传感器输出信号进行调理，从而提高了数据采集系统的性能和可靠性。常用的调理内容主要有放大、隔离、滤波、通道切换和直接传感器调理等。根据设计要求，本信号调理电路主要是将CCD传感器的信号进行放大，隔离和滤波，考虑到工业应用系统中采集的信号弱、干扰大，频率低等特点，放大电路采用由两片AD526构成的程控放大电路(PGA)和美国BB公司生产的IS0130隔离放大电路两部分组成，具有良好的暂态抗扰性和优良的抗离频噪声性能等优点，能有效地抑制共模干扰电压，FP-GA通过对SWO、SWl和SW2的控制，改变放大器的放大倍数，提高测量的灵敏度；A／D转换器则选用AD770l，AD7701是单片16位A／D转换电路，仅为0．001 5％的线性误差，采用LC2工艺技术制造，内置自校准电路，串行输出接口，可方便地与单片机配接。同时具有功耗低、精度高、抗干扰能力强等特点，适合于在要求精度较高的仪器仪表、秤重计量、参数检测、数据采集和其他测量设备；滤波电路则利用FPGA的可编程功能，生成FIR滤波器内核，实现对信号的滤波处理。信号调理原理图如图5所示。

　　3．3 RS-485通信的实现

　　RS-485作为一种串行通信的接口，具有传输距离长、速度较高、电平兼容性好、使用灵活方便、成本低廉和可靠度高等优点，在智能管理、在线控制、地质勘探等许多领域都有着广泛的应用。RS-485收发器分别采用平衡发送和差分接收，即在发送端驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出，在接收端接收信号将差分信号变成TTL电平。在RS-485接口中一根线定义为A，另一根线定义为B，有一个信号地C和一个“使能”端，在“使能”端控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“l”与“O”的第三态。RS-485具有较强的抑制共模干扰的能力和较高的接收器灵敏度，能检测200 mV的电压，因此数据传输距离可达1 km以外。

　　RS-485接口连接器一般采用DB9的9芯插头座，与智能终端RS-485接口采用DB9孔。最简单的RS-485通信线电路电缆由两条信号线路组成，接口一般采用屏蔽双绞线传输。RS-485与FPGA的接口电路如图6所示。

　　4 系统的软件实现

　　该系统以Aherla公司的EP3C25E1448CN作为中央处理器，整个测量过程主要包括初始状态(IniTIalization)、数据采集 (Data_Sample)、数据处理(Data_Processing)、数据显示(Data_Display)和数据传输 (Data_Transfers)等5种不同的状态。可利用有限状态机方法进行设计，其状态转换图如图7所示。通过开发工具QuartusⅡ对各模块的 VHDL源程序及顶层电路进行编译、逻辑综合，电路的纠错、验证、自动布局布线及仿真等各种测试，最终将设计编译的数据下载到芯片中。

　　5 结论

　　本系统以可编程逻辑器件作为开发平台处理数据，高精度的CCD器件实现数据采集，RS-485通信完成数据的传输，使整个系统具有集成度高，易于调试，测量准确度高，易于实现远程控制和信息资源共享的特点，具有一定的开发潜力。