基于赛灵思FPGA的空间电场信号采集系统的设计和实现 太阳活动, 环境污染, 地震, 空间, 大气

yuyang911220

摘要：提出一种基于FPGA的空间电场信号数据采集与处理系统的设计方案，FPGA为主控制器控制A／D采样和同步422发送。X，Y，Z三个方向的空间电场信号经过信号处理和A／D采样，在FPGA片内滤波划分为不同的频段，通过同步422接口发送到后续设备。该系统性能可靠稳定，致力于应用在探空火箭有效载荷——箭载电场仪上，对其他电场信号采集与处理系统也有一定的应用价值。        　　0 引言
        　　空间电场信号是近地空间很重要的一个参量，它的起伏变化影响到太阳活动、雷暴活动、地震活动及大气环境污染等领域。检测电场的状态可以为航天发射活动提供空间环境的电状态数据，国外发射的许多探测卫星和探空火箭都将电场探测作为重要的科学探测目标。
        　　在传统的探空火箭有效载荷——箭载电场仪中，频道的划分往往采用模拟滤波。模拟滤波电路不仅电路庞大，而且无法克服温度漂移、电压漂移、噪声等缺陷，使得应用领域受到局限。与模拟滤波器相比，数字滤波器精度高，灵活性好，可靠性强，更适合应用在性能较高的系统。本文提出了应用于探空火箭有效载荷的空间电场信号采集系统，频道划分采用数字滤波处理，应用FPGA内部的有限脉冲响应的IP核，使用FPGA作为主控制器对空间电场信号进行数据采集，发送给后端的公用设备。
        　　1 系统结构设计
        　　系统结构如图1所示，包括信号处理电路、A／D采样电路、同步422发送电路、电源电路。本文主要介绍传感器后续的电路。FPGA对A／D采样进行控制，整个系统需要5 V，3．3 V，2．5 V等电平，5 V电平由外接电源供给，其他的电平通过5 V转化产生。

        　　
        图1 系统结构框图

        　　1.1 信号处理模块
        　　该模块主要作用是将信号负值电压平移为正值，并将电压电平平移到后端模块可以调整到的幅度范围之内。
        　　该模块包含两级：第一级采用低噪声仪表放大器AD8429，对传感器传输过来的差分信号进行差分放大，AD8429的增益设置计算公式为G=1+6K／RG，其中RG为反馈电阻，对AD8429的增益设置引脚进行开路处理令G=1，相当于将差分信号变为单端信号。其中，由于传感器每个探头采集到的空间电场信号是在-3～3 V范围内，经过差分放大后的信号为-6～6 V，不易于直接输入A／D采样电路中，因此需要经过第二级的处理。
        　　第二级的信号处理包括增加一个+2．5 V的直流偏置和分压处理，运算放大器选用的是国家半导体公司的双通道LM258芯片，电路简单，经过第二级输出的信号幅值在0．5～4．5 V之间，可以直接输入A／D采样电路进行采样。