基于CPLD控制的聲信號發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計

2 器件介紹
2．1 XC2C128簡介
    Xilinx公司推出的CoolRunner-II系列中的XC2C128-7V0100。該器件采用第二代快速零功率(FZP)技術(shù)，以便在盡可能低的功耗情況下提供最佳的性能，如：采用1．8 V的內(nèi)核電壓，可提供300 MHz的性能，且耗功小于100μA。另外，該器件還具有體積小，價格低和穩(wěn)定度高等優(yōu)點，符合信號發(fā)射系統(tǒng)要求。XC2C128包含了16個內(nèi)部互聯(lián)功能塊(AIM)，每個AIM能為功能塊提供40個輸入，每個功能塊包含16個宏單元，這些宏單元同時包含大量的配置寄存器。另外，這些寄存器能被全局預(yù)置和復(fù)位，也可被提前設(shè)置成D或T觸發(fā)器，有多種時鐘信號，分別為全局或部由路服務(wù)。例如在同步時?？赏瑫r應(yīng)用3個不同的時鐘信號。
    XC2C128的主要特性如下：
    采用1．5 V、1．8 V、2．5 V、3 V、3.3 V等電源供電，內(nèi)部有兩個BANK，因而允許采用不同電壓供電而無需電壓轉(zhuǎn)換器；
    1．8 V供電時，靜態(tài)電流可低至25μA；
    采用RealDigital CPLD技術(shù)和先進(jìn)的低功耗高速可編程邏輯技術(shù)，靜態(tài)功耗可低至33μW；
    帶有輸入滯回和可編程地(GND)，提高了高速I／O信號完整性；
    帶有多種LVCMOS、HSTL和SSTLI/O，其靈活的I/O可支持多種器件接口；
    采用通用的JTAG接口；
    片延時僅5 ns；
    帶有雙邊緣觸發(fā)器，因而速度更快；
    具有4級設(shè)計保密功能。 
    設(shè)計CPLD邏輯電路時，選用Xilinx公司提供的XilinxISE6．2開發(fā)系統(tǒng)軟件。ISE是集成綜合環(huán)境的簡稱，是XilinxFPGA／CPLD的綜合性集成設(shè)計平臺，該平臺集成了從設(shè)計輸入、方針、邏輯綜合、布局布線與實現(xiàn)、時序分析、器件下載與配置、功率分析等幾乎所有設(shè)計流程所需的工具，加快了CPLD設(shè)計開發(fā)進(jìn)程。CPLD邏輯電路采用VHDL輸入方式設(shè)計，具有很強(qiáng)的可讀性和可移植性，便于后續(xù)修改。完成電路設(shè)計后，運用Model Tech公司的ModlelSim對設(shè)計進(jìn)行功能仿真，驗證電路功能是否符合設(shè)計要求。圖1給出CPLD電路連接原理。

2．2 波形存儲器
    波形存儲器主要用來存放預(yù)先生成的抽樣波形數(shù)據(jù)。這里選用SGS-THOMSON公司生產(chǎn)的M27C64A。因為該器件是一種低電壓、低功耗的8x8K EEPROM；編程電壓為12．5 V，具有高速編程的特點，特別適應(yīng)于電池供電系統(tǒng)。圖2給出其電路連接原理。

3 系統(tǒng)設(shè)置
3．1 硬件電路設(shè)計
    圖3給出一個信號發(fā)射電路的總體框圖。在CPLD設(shè)計中，分頻電路的輸出頻率作為地址發(fā)生器的時鐘。但是，考慮到地址發(fā)生器的時鐘要和預(yù)存的波形數(shù)據(jù)采樣頻率相一致，而波形存儲器的存儲容量有限，當(dāng)采樣頻率為500kHz時，采樣的波形數(shù)據(jù)量較合適，因此需要設(shè)計16分頻電路，該分頻電路對頻率為8 MHz的晶體振蕩器分頻。同時，根據(jù)波形存儲器地址端引腳個數(shù)，設(shè)計了13位的地址發(fā)生器。由此，依據(jù)CPLD的設(shè)計流程，在ISE6．2中完成16分頻電路、13位地址發(fā)生器電路的設(shè)計，并產(chǎn)生同步脈沖信號和信號發(fā)射電路中各個器件的控制信號。

    因為發(fā)射的信號是模擬信號，而波形存儲電路輸出的波形數(shù)據(jù)是數(shù)字信號，這樣就不可避免地要進(jìn)行數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換，D／A轉(zhuǎn)換電路就是完成該功能的電路。信號發(fā)射電路D／A轉(zhuǎn)換器選擇的是由ADI公司生產(chǎn)的AD5330。該器件是一款帶有微處理器、小體積、可與SPI直接連接的8 bit電壓輸出型低功耗D／A轉(zhuǎn)換器，采用雙緩沖結(jié)構(gòu)，輸出鎖存，適合于電池供電系統(tǒng)；當(dāng)電源電壓為3 V時，工作電流為115μA，關(guān)斷電流為80 nA；當(dāng)電源電壓為5 V時，工作電流為140μA，關(guān)斷電流為200 nA。
    同時，為了滿足發(fā)射系統(tǒng)對作用距離的要求，就需要采用功率放大電路來確保發(fā)射換能器能夠得到足夠的發(fā)射功率；而匹配電路則可以使信號發(fā)射電路輸出具有更好的頻率特性，提高發(fā)射效率。因此，功放及匹配電路是信號發(fā)射電路中必不可少的一部分。
3．2 軟件設(shè)計
    波形存儲器中的波形數(shù)據(jù)由于MATLAB仿真。MTLAB可以方便、快捷地生成波形數(shù)據(jù)，而且可根據(jù)需要方便地調(diào)整信號頻率、周期、脈寬等參數(shù)；同時，生成的聲發(fā)射信號具有失真度小，一致性好的優(yōu)點。此外，MATLAB作為一種科學(xué)與工程計算的高級語言，還具有編程方便，語法簡單等諸多優(yōu)點。因此，聲信號可以通過MATLAB軟件的仿真產(chǎn)生。但是，由于產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)較多，直接用手工錄入數(shù)據(jù)存儲器中不僅費時且易出錯。為此通過C語言編程將產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)形成*．hex文件格式。然后將波形數(shù)據(jù)整體下載到數(shù)據(jù)存儲器M27C64A中。
    采用上述方法，波形數(shù)據(jù)生成簡單，快捷，數(shù)據(jù)的修改方便，無需改動硬件電路即可實現(xiàn)信號發(fā)射電路的功能擴(kuò)展。MATLAB中產(chǎn)生信號波形數(shù)據(jù)的xinhao．m文件如下：

    根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡的傳輸速率及發(fā)射信號的頻率，采樣頻率選fs為50 kHz，依據(jù)波形存儲器容量設(shè)其為500 kHz，生成的波形數(shù)據(jù)存放在xinhao．hex中。上段程序表示每隔17 ms產(chǎn)生一組正弦波，每組由20個7 kHz的正弦波組成，每20個波持續(xù)時間為2．86 ms，圖4所示為該程序產(chǎn)生的一組頻率為7 kHz的發(fā)射信號。

4 實驗結(jié)果
    發(fā)射電路經(jīng)變壓器匹配后，連接水聲換能器，置于淡水中，由示波器觀察在接收端收到的信號。圖5所示為采用聲信號發(fā)射電路后，換能器在水中發(fā)射的信號(7 kHz)：其中橫坐標(biāo)為時間，單位為ms；縱坐標(biāo)為幅值，單位為mv，圖5(b)是圖5(a)橫軸擴(kuò)展后的波形，從示波器可看出信號每幅17ms出現(xiàn)20個7 kHz的正弦波。

    對比圖4和圖5可知，電路產(chǎn)生的信號與發(fā)射信號一致，均為脈沖發(fā)射，每一組脈沖為20個7 kHz的正弦波，信號脈寬為2．86 ms，由于聲信號在水中的衰減，信號的幅度為800 mV。另外，該信號為單頻信號，也可以通過MATLAB編程產(chǎn)生其他頻率的聲信號，完成頻分復(fù)用模式下的信號發(fā)射，同時也可以通過編碼實現(xiàn)ASK等方式下的聲信號發(fā)射。

5 結(jié)語
    提出了一種基于CPLD控制的低功耗信號發(fā)射電路，具有可擴(kuò)展性和靈活性。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于水中信號的發(fā)射(需要匹配換能器)和空氣中信號的發(fā)射。采用提出的波形存儲方法優(yōu)化了信號發(fā)射電路，通過改變波形存儲器型號或容量大小，還可以對信號進(jìn)行不同的復(fù)用方式，以滿足不同情況下的需要。