基于FPGA实现的冲击信号处理芯片的功能、设计参数及应用分析

介绍

撞击信号的测量数据是确定飞机工作环境条件的重要依据。一般冲击信号的带宽为10hz ~ 5 kHz，采样频率不低于20 kHz/s，编码要大于10 bit(冲击信号的动态范围大)。冲击信号的测量是遥测系统中的一个难题，要求遥测系统具有较大的传输带宽。例如，在测量点的X/Y/Z三个方向上传输冲击信号的测量数据需要大约600 kbit/s的信道容量。冲击信号的巨大数据量给飞机遥测系统的设计带来了压力。

压电式加速度计具有体积小、安装方便的优点，所以飞机遥测系统一般采用压电式加速度计直接测量冲击波。而冲击波大多是复杂的振荡脉冲，不便于分析比较。工程中研究冲击的目的不是研究冲击波形本身，而是更关注冲击对系统的作用，或者说冲击运动对系统的破坏潜力。因此，飞行试验中获得的遥测冲击数据一般在事后处理成最大绝对冲击加速度响应谱，以分析飞机在飞行中的冲击环境。

本文介绍的基于可编程门阵列(FPGA)的冲击信号处理芯片，可以在飞行器飞行过程中实时完成对三个冲击信号的分析处理，并将冲击信号的处理结果传输到地面，代替冲击波的原始测量数据。利用冲击信号处理结果(主要是最大绝对冲击加速度响应谱和加速度计输出的零、最大、最小值)远小于冲击波测量数据的特点，降低了冲击信号传输所需的带宽。

最大绝对冲击加速度反应谱的计算方法

公式(1)是用改进的递归数字滤波方法，求出单自由度系统固有频率为f i的冲击加速度Xf i( k)的数学模型.

其中：u (k) ——冲击信号幅值，t ——冲击信号采样间隔，N3354冲击信号采样点数，f i ——单自由度系统固有频率， 3354单自由度系统阻尼系数，Nf ——不同固有频率的单自由度系统数，Xf I(k)3354—固有频率f i单。| Xf i( k) | max作为单自由度系统固有频率f i的函数，是最大绝对冲击加速度响应谱。

芯片的主要功能和设计参数

芯片的主要功能

考虑到实际应用中一般测量X/Y/Z方向的冲击加速度，为了减小产品体积，冲击信号处理芯片采用SoC设计思想，将三个冲击信号的处理、数据存储和输入输出管理集成在一个芯片上。同时，为了简化产品电路设计，冲击信号处理芯片还提供与之相连的所有外围电路的控制信号。为了减少误差积累，冲击信号处理芯片对冲击信号进行分段处理，并始终保存当前测试周期内的最大绝对冲击加速度响应谱。遥测系统可以随机读取当前处理周期内的最大绝对冲击加速度响应谱，并根据系统容量和实时性要求调整冲击数据的压缩比。

冲击信号处理芯片的主要功能如下：

(1)通过定时或外部触发实现冲击信号分割；

(2)分段计算三个冲击信号的最大绝对冲击加速度响应谱；

(3)分段计算冲击信号的零位；

(4)实时捕捉冲击信号最大值和最小值；

(5)记录冲击信号最大值和最小值出现时间；

(6)提供A/D转换器、串行通信接口或并行通信接口的控制信号。

芯片设计参数

在设计冲击信号处理芯片之前，有许多设计参数需要确定，如采样频率、滤波系数字长、冲击响应谱字长、单自由度系统固有频率范围等。这些参数相互联系、相互制约，直接影响冲击信号处理芯片的综合性能。表1是综合权衡各种因素后，从减小冲击响应谱的处理误差和保证滤波器稳定工作的角度出发，综合考虑飞机遥测系统的容量、FPGA的硬件资源和处理器的功耗而确定的冲击信号处理芯片的设计参数。

芯片设计

芯片系统设计

信号处理芯片采用自顶向下的分层结构设计方法。该系统由三个独立的子系统(Top1、Top2、Top3)组成，每个子系统又由三个功能不同的模块(in、Core、Out)组成。图1显示了冲击信号处理芯片模块的设计。

从结构上看，冲击信号处理芯片采用模块化设计，共有五个模块。它们的名称和功能是：

(1) Up- Top模块系统复位，输入输出数据管理，测定true 和假起飞信号、自锁和定时(或外部触发)信号分段。

(2)顶层模块完成单向冲击信号处理。

(3) In模块完成输入数据预处理，提供A/D控制信号，产生核心模块的流水线操作控制信号，计算输入信号的零位，捕捉输入信号的最大值和最小值。

(4)核心模块计算最大绝对冲击加速度响应谱。

(OUT模块生成特征码，管理单通道输出数据。

以上五个模块通过不同的组合可以完成单向到多路冲击信号的处理。

芯片存储器设计

合理的数据存储结构不仅有助于充分利用硬件资源，也为优化计算流程和提高处理速度创造了条件。图2是改进的递归数字滤波方法(直接型)的信号流程图，清楚地描述了算法的步骤和实现算法需要存储的参数。

由于计算结果是最大绝对冲击加速度响应谱，除了图2所示的参数外，还需要存储Xf i (k) | Xf i( k) | max的最大绝对值。

公式(1)中的滤波器系数B0i、B1i、B2i、Q1i和Q2i是决定滤波器性能的基本参数。它们存储在独立的ROM中，每次FPGA芯片上电时，ROM都会初始化。Xf i( k-1)，Xf i( k-2)，| Xf i( k) | max如果共用一个存储器，控制电路的设计简单，但是Xf i( k-1)和Xf i( k-2)的动态范围远大于| Xf i( k) | max，与| Xf i( k)相似，表2是根据表1所示参数设计的存储器。该方案既保证了存储资源的有效利用，又具有相对简单的控制电路。

核心模块设计

核心模块主要完成最大绝对冲击加速度响应谱的计算。根据表1所示的设计参数，当滤波器的中心频率为1/12倍频程时，核心模块需要对每采样一个u (k)根据公式(1)计算Nf=102个单自由度系统的最大绝对加速度。

核心模块使用流水线操作计算Nf单自由度系统的最大绝对加速度。每个单自由度体系的最大绝对加速度的计算是由(1)和(2)两个水拍完成的，(1)和(2)两个水拍有各自独立的五个水拍。设计了25位乘法器和50位累加器，用5个工作时钟周期计算了单自由度系统的最大绝对冲击加速度。以固有频率为f i的单自由度系统最大绝对加速度的计算为例，介绍了核心模块的工作原理。

(1)分5步完成5次乘法和4次累加，过程如下：

1，u (k)乘以B0i，累加器初始值为u(k)B0i；

步骤2 u (k-1)乘以B1 i，累加器累加步骤2的计算结果；

步骤3 u (k-2)乘以B2 i，累加器累加计算结果

步骤5 Xf i( k-2)乘以Q2 i，累加器累加步骤5结果；

(2)分五步完成数据准备和后处理，流程如下：

1、读取f i-1的xfi(k-1)；

将2 f i-1的Xf i( k-1)写入寄存器，科学计数转换和数据截取，将f1-1的Xf i-1 (k)写入f1-1的Xf i-1( k-1)位置，计算Xf i( k) | Xf i( k) |的绝对值并锁存结果；

3.把f i-1的Xf i-1( k-1)写成Xf i-1( k-2)从R- XMA X中读出| xfi(k)| max；

步骤4，比较| Xf i( k) |和| Xf i( k) | max大小，将大的数写回R-XMAX；

第五步：从R- XMAX中读取下一个要输出的最大绝对碰撞加速度值，并写入输出缓冲区。

流水线操作确保单自由度系统的最大绝对响应加速度可以在五个时钟周期内计算出来。假设冲击信号处理芯片内部工作时钟频率为fm，计算Nf单自由度系统最大绝对响应加速度的时间Ts为

Ts=(5 Nf )/f m (2)

设碰撞信号的采样频率为f s，f s和f m之间的关系可由等式(2)获得，如下所示

f s=f m/(5 Nf ) (3)

从等式(3)可以看出，可以通过改变芯片内部工作时钟频率来改变冲击信号的采样频率。

遥测系统可以通过冲击信号处理芯片的采样频率设置端口，在线控制冲击信号处理芯片内部的时钟分频器，设置冲击信号的频率，以满足不同冲击信号处理器对峰值检测误差的要求和对处理器功耗的限制。

芯片仿真结果分析

基于FPGA实现了冲击信号处理芯片，并根据文献中规定的最大绝对冲击加速度响应谱验证的要求，对冲击信号处理芯片进行了各级设计和仿真。

图3是冲击信号处理芯片的仿真结果之一。

图3中的f是单自由度系统的固有频率。图3 (a)显示了峰值为150 (8位编码)、持续时间为0的64点半正弦输入波。125 s，采样率512 Hz/s，图3 (c)为计算机计算的最大绝对冲击加速度的响应谱，x为最大绝对加速度。图3 (d)为本文设计的冲击信号处理芯片计算出的最大绝对冲击加速度响应谱，Xs为最大绝对加速度。图3 (b)是Xs和x的区别，仿真结果满足文献中最大绝对冲击加速度响应谱的验证要求。

测试结果和分析

基于脉冲信号处理芯片设计的数据预处理器已在各种实验中得到应用。为了验证数据预处理器的性能，进行了以下对比试验。

遥测系统的快变通道和数据预处理机同时用于获取撞击环境信息。具体测试方法如下：遥测通道和数据预处理机同时接收同一加速度计的输出信号。前者完成加速度计输出电压信号的编码并通过无线信道传输编码结果，后者完成加速度计输出电压信号的编码、处理和分析，并将处理后的结果代替原始测量数据通过无线信道传输，比较两者的测量结果。图4示出了在特定测试中获得的最大绝对冲击加速度的响应谱。

在图4中，实线是地面遥测通道记录数据的处理结果，虚线是数据预处理器的输出结果。实验结果表明，除了有效压缩冲击信号的传输带宽外，冲击信号预处理技术还具有以下优点：

(1)更容易识别数据是否true 或者假。冲激响应谱是缓变曲线，原始冲激信号是宽带随机信号，因此可以更准确地从缓变信号中消除信道误码分量。

(2)提高冲击信号的测量精度。数据预处理后，冲击信号的采样频率和编码位数不再受遥测系统容量的限制。通过增加sam

本文采用SoC的设计思想，基于FPGA完成了三通道脉冲信号处理芯片的设计。飞行试验表明，该芯片能够实时完成三路激波信号处理，并输出处理后的结果代替原始激波测量数据。它可以大大压缩冲击信号的传输带宽，减小冲击信号的峰值监测误差，扩大冲击信号测量的动态范围，为识别true 和假事后数据。