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1、西安电子科技大学硕士学位论文基于AVR和FPGA的电缆路径检测系统的研究与设计姓名：符晓宏申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：于建国20100101摘要随着城市化的发展，人们对电力电网、通信网络等地下网线进行了全面的改造，地埋电缆的敷设路径和埋藏深度等资料因此变得残缺不全，从而给施工开挖、电缆的维修和故障检测带来很大的不便，而传统的检测仪器又存在着诸如模式单一、检测精度低、效率不高等问题。针对目前电缆检测仪器存在的不足，论文以多模式、高精度为研究重点，利用电磁法原理，设计了一种基于A V R 单片机和F P G A 相结合的具有多模式检测方法的电缆路径检测系统。该系统采用多个线
2、圈组合的方式实现数据的采集，同时该系统还具有G P S 定位和良好的人机交互功能。论文从实际的功能需求出发进行了调查研究，确定了系统的工作原理、系统的构架和模块框图；然后详细介绍了系统的各个功能模块电路的实现，以及相应的单片机控制软件设计和F P G A 软件的设计和仿真；并最终详细阐述了系统的整体仿真与调试结果。论文所作研究全面，研究内容明确，面向工程实践，具有较强的应用价值，解决了工程实际的应用问题。关键词：电缆路径检测系统A V R 单片机F P G AA b s t r a c tW i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t
3、 i o n,p e o p l ec o n d u c t e dac o m p r e h e n s i v et r a n s f o r m a t i o no nt h eu n d e r g r o u n dc a b l es u c ha sp o w e rg r i da n dt e l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k s R e f e r e n c e sa b o u tt h ep a t ha n dd e p t ho ft h ee l e c t r i cc a b l eu n d
4、e r n e a t hb e c o m ei n c o m p l e t e，w h i c hr e s u l t si nt h ei n c o n v e n i e n c ef o re x c a v a t i o n，r e p a i r m e n ta n df a u l td e t e c t i o no ft h ec a b l e s，w h i l et h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sh a v et h ep r o b l e m ss u c ha ss i n g l em
5、o d e，l o wa c c u r a c y，l o we f f i c i e n c ya n de t c I no r d e rt of i g u r eo u tt h ed i s a d v a n t a g e so ft h ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d s，w eh a v ed e s i g n e dac a b l ep a t hd e t e c t i o ns y s t e mw i t hm u l t i m o d e sb yu s i n gA V RM C Ua n dF
6、P G A B a s e do nt h ep r i n c i p l e so fe l e c t r o m a g n e t i s m，t h i ss y s t e mi sc o n s i s t e do fs e v e r a lc o i l sw h i c ha r eu s e dt oo b t a i nt h ed a t a M e a n w h i l e，t h i ss y s t e mh a st h ef u n c t i o n so fG P Sl o c a t i o na n dh u m a n-c o m p u t
7、 e ri n t e r a c t i o n I nt h i sp a p e r,w ef i r s t l ys e tu pt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l ea n dt h eb l o c kd i a g r a mo ft h ew h o l ed e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ep r a c t i c a lf u n c t i o n s A f t e rt h a t，w es h o
8、 w e dt h er e a l i z a t i o no fa l lm o d u l ec i r c u i t s，t h ed e s i g na n ds i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ec o n t r o l l i n gs o f t w a r er e l a t e dt ob o t hM C Ua n dF P G A F i n a l l y，w eg a v et h ed e b u g g i n gr e s u l t so ft h ew h o l es y s t e m T h i s
9、p a p e rs t u d i e sm a d eb yc o m p r e h e n s i v e，c l e a r-o r i e n t e dr e s e a r c hp r o j e c ta p p l i c a t i o n s，h a ss t r o n gv a l u e，c a ns o l v ev a r i o u sp r o b l e m sm e ti nt h ep r o j e e t K e y w o r d：C a b l ep a t hd e t e c t i o ns y s t e mA V RM C UF
10、P G A西安电子科技大学学位论文独创性(或创新性)声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：日期j 啤西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生
11、在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学d本人签名：签盛宝一导师签名：日期塑21 至：3日期山f 坌：主：臣第一章绪论第一章绪论1 1 研究背景和意义电缆作为一种重要的通信媒介，已经广泛应用于仪器仪表、电力、通信等重要领域。在城市配电网中，架空线路会占用过多地面空间，同时受恶劣天气影响而发生故障的机率也比较高，相比而言电力电缆线路在这些方面都有较大的优势，所以电力电缆
12、在城区配电网中得到了越来越广泛的应用。与架空线路相比较，电力电缆线路具有如下优点：1 不易受自然气象条件(如雷电、风雨、盐雾、污秽等)和周围环境的影响，供电可靠性高；2 线间绝缘距离小，占地少，无干扰电波；3 地下敷设时，不占地面空间，同一地下电缆通道可以容纳多回线路，既安全可靠，又不易暴露目标。但随着城市发展，电网改造、电搬迁和故障电缆修复使原有的地貌和地下管线都有很大的变化，原有的图纸已不能正确反映电缆的敷设路径和埋藏深度，尤其是近几年城市基础建设的加快，外力破坏电缆的问题日益突出，极大地威胁电网的安全，故迫切需要研制一种新的电缆探测仪器来对电缆路径进行检测，建立完善的电缆线路管理系统。电
13、缆路径检测系统就是在这样的背景下产生的，电缆路径检测系统的研制，将使相关工作人员更加快速、实时、方便地检测到地埋电缆的位置、深度、电流大小等重要的信息，从而节约施工成本，加快施工进度，保证施工安全，给城市规划部门提供一个清晰的地下电缆的情形【1 1。1 2 国内外研究现状随着科学技术的发展，涌现出了越来越多的管线路径检测方法。目前，管线探测的方法主要有充电法、电磁感应法、探地雷法等。下面介绍三种方法的原理和特点：1 充电法对地下管线施加直流电，在地面上观察电磁场的异常，以确定地下管线所在的位置。这种方法的特点是仪器轻便、方法简单、定位精度高，在地下管线密集的区域有较好的分辨率，但使用时必须有可
14、供电的出露点，且在地层电阻串低时效果差【2】。2 电磁感应法利用管线与周围介质的导电性及异磁性差异为主要物性基础，观测目标空间2基于A V R 和F P G A 的电缆路径检测系统的研究与设计的电磁场分布，根据电磁感应原理分析数据，从而确定目标电缆的位置。3 探地雷达法由发射天线向地下发射高频脉冲电磁波，接收天线接收从地下目标反射的电磁波来，通过分析入射和反射电磁波的差异研究目标体。可探测各种金属与非金属管道，分辨率较其它方法高的多，但仪器价格较贵。综上所述：充电法需要可供电的出露点，探地雷法虽然不需要可供电的出露点，但是用此方法设计的仪器的价格很昂贵。电磁感应法因探测准确度高、抗干扰能力强、
15、适应范围广、操作简便、成本低、效率高而最常用。目前国外电缆路径检测仪的精度比较高，功能也比较齐全，但是价格较高，使用起来也比较麻烦。我国在这方面起步较晚，但是发展很快，尤其是在地埋电缆高速应用以及城市改建方面，国内有很多公司从事此方面研究。国内自行研制的仪器大多数都是利用电磁感应法，但是这些仪器功能比较单一，精度比较低，适用的环境有限。本论文利用电磁法原理研究的电缆路径检测系统，不仅具备以往系统的功能，还具有以下一些特点：1 该系统是基于A V R 单片机和F P G A 进行研究和设计。论文提出的系统组建方案综合了二者的优点，充分发挥了各自的长处。系统的高速部分(如数据采集时序)用F P G
16、 A 来实现，而整个系统的大部分控制则由A V R 单片机完成。2 该系统具有峰值模式和谷值模式两种定位方法可供选择。其中峰值模式法(极大值法)的磁场幅度大且宽，容易发现电缆；谷值模式法(极小值法)的定位准确度高。系统首先使用峰值模式法确定电缆的大致位置，再用谷值模式法进行精确定位。3 该系统具有自动搜索和锁定频率的功能。当电缆处于工作状态且不能接收发射机的信号时，可利用自动搜索和锁定频率功能检测电缆中所加电流的工作频率。4 该系统还具有G P S 定位和E E p R O M 存储功能。当仪器已经找到并确定好电缆的位置时，就可以用G P S 进行定位，将地理位置信息存储在E 2 p R O
17、M，最后根据需要上传到计算机进行数据管理，这样可以对电缆位置的记录有统一的标准。1 3 论文研究的内容本论文以电缆路径检测系统为主要研究对象，整个系统以A V R 单片机为控制中心、以F P G A 为数据处理核心来进行设计和研究，具体内容如下：1 分析国内外研究现状，提出电缆路径检测系统的原理。2 针对系统的功能需求，设计电缆路径检测系统的结构和原理框图。第一章绪论33 根据原理框图，对系统的各个模块的硬件电路进行设计。4 根据各个模块的功能，完成A V R 单片机和F P G A 部分的软件设计。5 对系统进行整体调试。1 4 论文结构安排本论文的结构安排如下：第一章：绪论。介绍本论文研究
18、的背景和意义、国内外研究现状以及论文研究的主要内容和结构安排。第二章：电缆路径检测系统的原理和结构。根据载流直导线的相关电磁理论介绍电磁法探测原理，同时介绍电缆路径检测系统的结构和不同模式的测量方法。第三章：电缆路径检测系统的硬件设计。根据系统的功能需求提出整个系统的原理框图，并详细介绍系统的C P U 和各个模块的硬件电路的组成及其实现方法。第四章：单片机部分软件设计。介绍A V R 开发环境，并详细介绍在该环境下完成的A V R 单片机控制模块的软件设计。第五章：F P G A 软件设计。根据系统的硬件构成详细阐述F P G A 部分各个功能模块的设计，并说明各程序模块的仿真结果。第六章：
19、结果与分析。详细介绍F P G A 部分的的整体仿真，并介绍系统中单片机和F P G A 联调后的调试结果。1 5 本章小结本章首先介绍了电缆路径检测系统的研究背景和意义；然后研究国内外相关产品的发展情况，分析了目前管线探测的方法，并提出论文所研究系统的探测原理；最后介绍了本论文研究的内容和结构安排。第二章电缆路径检测系统的原理和结构5第二章电缆路径检测系统的原理和结构2 1 系统研究理论基础研究任何一个系统都要建立在一定的理论基础之上，对一个没有理论支撑的系统的研究是没有任何意义的。本节主要介绍电缆路径检测系统研究和设计的理论基础。2 1 1无限长直导线中的电流在空间产生的磁场由于地下所埋电
20、缆的长度、深度远远大于电缆的直径，因此地下所埋电缆可以等效为无限长载流直导线进行分析，这样就可以把电缆中的回路电流看成是延伸较长、密度较大的线电流。1 电流元产生的磁场按毕奥一萨伐尔定律，一个电流元在任一场点P 产生的磁场为：d B：k T I d l s i n 0式(2 1)，式中：抛一在P 点的微磁通量。刃一电流元长度；，一电流元的电流强度；k 一比列常数；k=譬，其中鳓=4 7 r x l 0 H m。所以d B：,u o l d l s _ i n O4 n r 2式(2 2)2 无限长直导线中电流产生的电磁响应如图2 1 所示，由于所有电流元在P 点产生的d B 都有相同的方向(垂
21、直于纸面向里)。所以电流在P 点的磁场B 的方向也应该垂直于纸面向里，其大小等于d B 的积分，所以无限长直导线中电流产生的磁场为：B=d B=J，I t o l 4 d 刀l s 2 i n 0 式(2 3)又有，=a e o s O，=a c o t(x 一0)=一a c o s O，d=G C S C 2 觎秒所以，6基于A V R 和F P G A 的电缆路径检测系统的研究与设计B=型rsin甜乡=型(c。s岛_cos01)4za4 z a岛、若导线为无限长，则将B 0，0 2 y 代入式(2-4)得：B：t o I4 z m式(2 4)式(2 5)从公式(2 3)到式(2 5)可以看
22、出，无限长直导线中的电流在自由空间产生的磁力线圈，在垂直于导线走向的截面上是一组以导线为圆心的同心圆【3 1。2 1 2 感生电动势图2 1 载流直导线周围P 点的磁场法拉第电磁感应定律可表述为：当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，无论这种变化是什么原因引起的，回路中都会引起感应电动势，且此感应电动势正比于磁通量与时间变化率的负值，即：毛=一掣式(2 0，)=一氏L Z 一，Id t又由磁通量的表达式：=p d S式(2 7)可以看出穿过回路所围S 的磁通量是由磁感强度、回路面积的大小和面积在磁场中的取向三个因素决定的，因此只要这三个因素中任一因素发生变化，都可使磁第二章电缆路径检测系统
23、的原理和结构7通量变化，从而引起感应电动势。通常把由于磁通量强度变化而引起的感应电动势，称为感生电动势。但是由穿过闭合导体回路的磁通量变化引起的电场不可能是静电场，于是麦克斯韦在分析了一些电磁感应现象以后，提出了如下假设：变化的磁场在其周围空间要激发一种电场，这个电场叫做感生电场，用符号E k 表示。感生电场与静电场有相同之处，也有不同之处。他们的相同处就是都对电荷有力的作用。它们之间的不同之处是：静电场存在于静止电荷周围的空间内，而感生电场则是由变化磁场所激发，不是由电荷所激发；静电场的电场线是始于正电荷、终于负电荷的，而感生电场的电场线则是闭合的。正是由于感生电场的存在，才在闭合回路中形成
24、感生电动势。若用感生电场E k 来表示，则沿任意闭合回路的感生电动势为毛=仁d=-了d O式(2 8)。口l应当明确的是，这个由麦克斯韦感生电场的假设而得到的感生电动势表达式，不只对由导体所构成的闭合回路，甚至对真空也都是适应的。这就是说，只要穿过空间内某一闭合回路所围面积的磁通量发生变化，那么此闭合回路上的感生电动势总是等于感生电场E k 沿该闭合回路的环流。由此可以进一步说明感生电场的性质。感生电场沿任意闭合回路的环流一般不等于零，即岛=仁d l：一了d O 0式(2 9)“l也就是说，感生电场是非保守场。由于静电场的电场线是有头有尾的，而感生电场的电场线是闭合的，故感生电场也称为有旋电场
25、。最后把式(2 7)代入式(2 8)得，铲怛d 一云I B d Sw-戈(2 1 0)若闭合回路是静止的，它所围的面积S 也不随时间变化，则上式亦可以写成铲恤d l=-蹬d S式(2 _ 1 1)式中d B d t 是闭合回路所围面积内某点的磁感强度随时间的变化率。式(2 1 1)表明，只要存在着变化的磁场就一定会有感生电场，而且一d B d t 与E k 在方向上应遵从右手螺旋关系【3】【4】。2 1 3 磁场中线圈的感应电动势分析前面介绍了无限长直导线中的电流在空间产生的磁场以及磁场产生感生电动势的一些概念和理论知识，将继续分析线圈中产生的磁场强度，为后续章节的工作原理的介绍作准备。8基于
26、A V R 和F P G A 的电缆路径检测系统的研究与设计这里以单个线圈为对象来进行分析，设线圈产生的磁场强度为H，则场强的水平分量为H x，场强的垂直分量为H z(1)不同深度、相同电流的H，曲线图2 2 不同深度、相同电流的H x 曲线图单线圈中不同深度、相同电流的以曲线如图2 2 所示。从图2 2 中可以看出：当x=0 时，单个线圈接收磁场的水平分量以最大，即H：,U o I。m 强2 n h式(2 1 2)也就是线圈位于带有电流的管线的正上方有极大值，这就确定了管线的平面位置。当埋藏深度增大时，日。最大值急剧下降。埋藏深度大于4 m 时，日，曲线趋于平缓。电流不变时，埋藏深度增大m
27、倍，日。极大值就降为原值的1 m 倍。(2)不同深度、相同电流的1 日：I 曲线一f|j|l友i一八s|，卜二、，k 0豸暨筝二Sjt卜荨邋。善多弋i眵7：寒吣图2 3 不同深度、相同电流的 H z l f l 扫线图单线圈中不同深度、相同电流的1 日一曲线如图2 3 所示。从图2 3 中可以看出：第二章电缆路径检测系统的原理和结构9当X=0 时，单个线圈接收磁场的垂直分量J 见I 有极小值，且I H：l=0，也即线圈位于管线的正上方有极小值。在x h=1 处，即x=厅位置上时，1日。=日=去以咄式(2 1 3)二埋藏深度小于2 5 m 时，曲线以较大的斜率过原点，管线的两侧上有日，极大值。埋
28、藏深度大于2 5 m 时，曲线以平缓的斜率过原点几乎无日，极大值【5】。2 2 电磁法探测原理由于敷设在地下的电缆与周围的土壤介质在导电性、导磁性、密度或其物理化性质上存在着差异，因而能被探测、识别和区分。目前电磁法由于探测精度高、操作简便、抗干扰能力强、适用范围广、成本低、效率高等特点而成为电缆探测工作中最常用的方法。本论文研究的电缆路径检测系统就是利用电磁法来实现。其探测原理如下：当采用专用的发射机向待测电缆施加(直连或感应)一定频率的信号电流I后，该电流在待测电缆中流动并在其周围空间产生一个电磁场。如图2 4 所示为电缆周围磁场分布图。图中P 为电缆周围任意一点，I 为电流强度，R 为P
29、 点距电流中心的距离，P 点的电场强度为：H e=K 丢=隽丢=丽t o I式(2 1 4)图2 4 中H x 为场强的水平分量，H z 为场强的垂直分量。用接收机在地面上测量该电磁场的强度及其分布便可确定被测电缆的位置以及埋藏深度，实现被测电缆的定位【6】。97 少7 护777 1 万次，支持在系统编程(I n S y s t e mR e p r o g r a m m a b l e)和在应用编程(I A P)。一带有独立加密位的可选B O O T 区，可通过B O O T 区内的引导程序区(用户自己写入)来实现I A P 编程(I n-S y s t e mR e p r o g r
30、a m m i n gb yO n-c h i pB o o tP r o g r a m)。-2K B 的E 2 P R O M，擦写次数：l O 万次。-4K B 内部S R A M。1 8基于A V R 和F P G A 的电缆路径检测系统的研究与设计一支持最大为6 4 K B 的外部存储器扩展。一可编程的程序加密位。一通过S P I 接口实现在系统(I S P)。(4)J T A G 接口(兼容I E E E1 1 4 9 1 标准)一具备J T A G 标准的边界扫描功能(B o u n d a r y-S c a n)。一支持在线仿真调试(E x t e n s i v eO n-
31、c h i pD e b u g)。一支持对F l a s h、E 2 p R O M、芯片熔丝位和保密位锁定的编程。(5)外部(P e r i p h e r a l)性能一2 个具有比较模式的带预分频器(S e p a r a t eP r e s c a l e)的8 位定时器计数器。一2 个带预分频器，具有比较和捕获模式的1 6 位定时器计数器。一1 个具有独立振荡器的异步实时时钟(R T C)。一2 个8 位P W M 通道。一6 个P W M 通道，可实现任意2 -1 6 位、相位和频率可调的P W M 脉宽调制输出。一输出比较模块。-8 通道l O 位A D 转换：8 个单端输入
32、通道；7 个双端输入通道；2 个可程控增益为1、l O x 或2 0 0 双端输入通道。一1 个面向字节的W(1 2 C 兼容)串行1 2 1，支持主从(M a s t e r S l a v e)、收发4 种工作方式，支持自动总线仲裁。一2 个增强型可编程串行U S A R T 接口，支持同步、异步以及多机通信自动地址识别。一1 个主从、收发的S P I 同步串行接口。一带片内R C 振荡器的可编程看门狗定时器。一片内模拟比较器。(6)特殊的微控制器性能一上电复位和可编程的低电压检测电路(B O D)。一内部集成了可选频率(1 2 驯8 M H z)、可校准的R C 振荡器(2 5。C、5
33、V、1 M H z时精度为士1)。一外部和内部的中断源1 8 个。一6 种睡眠模式：空闲模式(I d l e)：A D C 噪声抑制模式(A D CN o i s eR e d u c t i o n)；省电模式(P o w e r-s a v e)；第三章电缆路径检测系统的硬件设计1 9掉电模式(P o w e r-d o w n)待机模式(S t a n d b y)扩展待机模式(E x t e n d e dS t a n d b y)。(7)I o 口和封装-5 3 个可编程I O 口，可任意定义I O 的输入输出方向；输出时为推挽输出，驱动能力强，可直接驱动L E D 等大电流负载；
34、输入口可定义为三态输入，可以设定带内部上拉电阻，省去外接上拉电阻。-6 4 脚T Q F P 封装和6 4 脚M L F 封装。(8)工作电压-2 7 5 5 V(A T m e g a 6 4 L)。-4 5 -5 5 V(A T m e a g a 6 4)。(9)运行速度一O 8 M H z(A T m e g a 6 4 L)。一O 1 6 M H z(A T m e a g a 6 4)。(1 0)典型功耗(4 M H z、3 V、2 5。C)一正常模式(A c t i v e)M a x5 m A(A T m e g a 6 4 L)。一空闲模式(I d l eM o d e)M
35、a x2 m A(A T m e g a 6 4 L)。一掉电模式(P o w e r-d o w nM o d e)：M a x2 5(A T m e g a 6 4 L)【8】【9】。3 2 2F P G A 介绍设计中采用的F P G A 为A l t e r 公司生产的c y c l o n eI I 系列的E P 2 C 5 T 1 4 4 1 8。该芯片具有4 6 0 8 个逻辑单元，4 kR A M 块，11 9 8 0 8 比特数，1 3 个嵌入式1 8 x1 8 乘法器，2 个P L L s，8 9 个用户I O 管脚，5 8 个差分通道。F P G A(F i e l dP
36、 r o g r a m m a b l eG a t eA r r a y)现场可编程逻辑门阵列，是可编程逻辑器件的一种，主要由如下几部分组成：1 可编程输入输出单元输入输出(I n p u t O u t p u t)单元简称I O 单元，它们是芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配要求。为了使芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配要求。2 基本可编程逻辑单元基本可编程逻辑单元是可编程的主体，可以根据设计灵活地改变其内部连接与配置，完成不同的逻辑功能。F P G A 一般是基于S R A M 工艺的，其基本可编程逻辑单元几乎都
37、是查找表(L U T，L o o kU pT a b l e)和寄存器(R e g i s t e r)组成的。F P G A 内部寄存器结构相当灵活，可以配置为带同步异步复位或置位、时钟使能基于A V R 和F P G A 的电缆路径检测系统的研究与设计的触发器(F F，F l i pF l o p)，也可以配置成锁存器(L a t c h)。3 嵌入式块删目前大多数F P G A 都有内嵌的块R A M(B l o c kR A M)。F P G A 内部嵌入可编的R A M 模块，大大地拓展了F P G A 的应用范围和使用灵活性。F P G A 内部实现R A M、R O M、C A
38、M、F I F O 等存储结构都可以基于嵌入式块R A M 单元，并根据需求自动生成相应的粘合逻辑以完成地址和片选等控制逻辑。4 布线资源布线资源连通F P G A 内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。F P G A 内部有着非常丰富的布线资源，这些布线资源根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而被划分为不同等级，有一些是全局性的专用布线资源，用以完成器件内部的全局时钟和全局复位置位的布线；一些叫做长线资源，用以完成器件B a n k(分区)间的一些高速信号和一些第二全局时钟信号(有时也被称为L o wS k e w 信号)的布线；还有一些叫做短线资源，用以完成
39、基本逻辑单元之间的逻辑互联与布线：另外在基本逻辑单元内部还有各种各样的布线资源和专用时钟、复位等控制信号。5 底层嵌入功能单元底层嵌入功能单元的概念比较笼统，这里指的是那些通用程度较高的嵌入式功能模块，比如P L L(P h a s eL o c k e dL o o p)、D L L(D e l a yL o c k e dL o o p)、D S P、C P U 等。随着F P G A 的发展，这些模块被越来越多地嵌入到F P G A 的内部，以满足不同场合的需求。6 内嵌专用硬核这里的内嵌专用硬核与前面的“底层嵌入单元”是有区分的，这里讲的内嵌专用硬核主要指那些通用性相对较弱，不是所有F
40、 P G A 器件都包含硬核(H a r dC o r e)。这里称F P G A 和C P L D 为通用逻辑器件，是区分于专用集成电路(A S I C)而言的。其实F P G A 内部也是分两大阵营的：一方面是通用性较强，目标市场范围很广，价格适中的F P G A；另一方面是针对性较强，目标市场明确，价格较高的F P G A 0 0 1。3 3 预处理模块预处理模块主要是对电缆中输入的有用信号进行提取，滤除无用的干扰信号，以及对有用信号进行调整使其成为能够满足后续电路处理要求的信号。第三章电缆路径检测系统的硬件设计2 13 3 1 预处理电路根据场源的不同，系统分为两种探测方法：被动源法和
41、主动源法。场源的不同，预处理电路也不同。针对场源的不同，该系统设计了两个预处理通道：一个是在电缆正常工作且发射机信号不方便加到电缆上时，采用对工频5 0 H z 信号进行探测的通道；另一个是发射机将信号加入到电缆上且不影响电缆的工作，接收机对发射机所加信号进行探测的通道。预处理电路的原理框图如图3 2 所示。3 3 2 电子开关C D 4 0 5 3图3 2 预处理电路原理框图对预处理通道的各个开关的选取以及模式之间的切换均使用电子开关C D 4 0 5 3 来进行控制，而对电子开关的操作由F P G A 来执行。表3 1C D 4 0 5 3 状态真值表输入状态接通通道I N HABC0O0
42、Oa x、b x、C X010Oa y、b x、c yOOl0a x、b y、C XOl1Oa y、b y、C X0001a x、b x、c y0101a y、b x、c y0O1la x、b y、c y01l1a 弘b y、c y1矽矽均不接通基于A V R 和F P G A 的电缆路径检测系统的研究与设计三组二路模拟开关C D 4 0 5 3 有三个独立的数字控制输入端A、B、C 和I N H 输入，当I N H 输入端=“1”时，所有通道截止。3 组开关具体接通哪一通道，由输入地址码A B C 来决定【l l】。其真值表见表3 1。3 3 3 预处理通道的控制当感应线圈中产生感应信号后，
43、系统将感应信号送入预处理通道进行信号处理，因为检测方法不同，所选择的预处理通道也就不一样。图3 3 和图3 4 为预处理通道中的两个电子开关控制的接口电路。+5 V b vV D D b xB O U T e yA O U T C O U Ta y C Xa x I N HA V E EB V S SCC D 4 0 5 3lC 1 7基1550刮2B O U T|Iy1 4A P20 U T0 1 u F1 3S 】l A LI N21 2A D2 心l lA P1 距Ll O5 0lB S 匪5 0l 鳋丑一图3 3 预处理通道中的电子开关1 接口电路b yb xc yC O U TC X
44、N H珉V S SV D DB O U TM 强弧a ya XABC图3 4 预处理通道中的电子开关2 接口电路F P G A 通过接收单片机发送来的信号对电子开关进行开关控制，进而实现对预处理通道的选择和切换。两个电子开关其功能对应表如表3 2 所示。表3 2 预处理通道电子开关功能表电子开关a Xa yb xb yC Xe y电子开关增益调节特殊值增带通电路带通电路陷波电路空1通道益通道后置开关通道通道电子开关陷波电路特殊值后1 M 分频5 0 0 K H z空空延迟开关置开关选通选通J鞣弄La 5则卿一卅一一一一一一一一一一j糕乎V5第三章电缆路径检测系统的硬件设计3 4 输入和输出模块
45、输入和输出模块是系统的人机交互界面，在整个系统中起着至关重要的作用。设计中的输入和输出模块包括一个9 个按键的键盘、2 4 0X1 2 8 图形点阵液晶以及扬声器。3 4 1 输入模块(键盘)输入模块的键盘采用的是编码器7 4 L S l 4 7 来实现【1 2】，这样的设计可以节省单片机的I O 口。其具体的键盘接口电路图如图3 5 所示。其中9 个按键S l、S 2、S 3、S 4、S 5、S 6、S 7、S 8、S 9 分别代表s a m p l e(采样)、深度、谷值、峰值、M E N U(菜单键)、O K(确认键)、s p e a k(扬声器音量选择)、U P(向上翻滚键)、D O
46、W N(向下键)。啪。忡。黼O o习；md3-o l4Ad，Bd6c习i2。，蠡再旷g I O 一它崩。叫一目ii 困守0 1 堕一I0 1 一lQ l Q L lQ l 坠Io I 堕JQ 1 里JQ l 璺3 4 2L C D 输出模块图3 5 键盘接口电路图在单片机系统中，常用的液晶显示模块有段式的和点阵式的，点阵式的又分为字符型和图文型。本系统既要显示字符也要显示汉字，采用的是液晶模块为2 4基于A V R 和F P G A 的电缆路径检测系统的研究与设计S G 2 4 0 1 2 8，它是2 4 0 1 2 8 点阵的汉字图形型液晶模块，其主要特性为：内藏T 6 9 6 3 C液晶显
47、示控制器；具有I n t e l 8 0 8 0 系列微处理接口；字符字体由硬件设置，有6 8和8 8 字体可选；具有图形方式、文本方式以及图形与文本混合显示，文本方式下的特征显示图形拷贝功能；内置字符发生器C G R O M，含1 2 8 个字符，模块上带3 2 K 显示缓冲区【1 3】【1 4 1。表3 3S G 2 4 0 1 2 8 引脚说明图引脚名称电平功能说明引脚名称电平功能说明lF G0 V液晶铁框接地1 2D B lH L8 位数据线2V S SO V逻辑电源地1 3D B 2H 儿8 位数据线3V D D5 O V逻辑电源正1 4D B 3H L8 位数据线4V oL C D
48、 驱动电压输入端1 5D B 4H 几8 位数据线5胍L H写数据信号1 6D B 5H L8 位数据线6粕L H读数据信号1 7D B 6H L8 位数据线7C ELL C D 选通信号1 8D B 7H L8 位数据线8C DH 几命令或数据1 9F SH L字体选择9N C没有连接2 0V O U T1 0 VD C D C 电路输出1 0R S TL复位信号2 lB L A5 O V背光电源正端l lD B OH L8 位数据线2 2B L K0 V背光电源负端S G 2 4 0 1 2 8 与单片机的连接图如图3 6 所示。J 4S G 2 4 0 l 勰2 24 34 24 l4
49、01 53 91 43 81 33 71 23 6l l3 51 03 4C DP G 2P C 7P c 6P C 5P C 4P c 3R=2P C IP C 0P G lP()o4 54 43 0 胍3 l 很D0 1 u FR l2 蚀V O U TI 也ll0 I c图3 6L C D 与单片机的接口电路U 2 49 0 1 3咖裟黧嚣裟器腿姒舢12脚i姒哪萑|吲聊脚釉胍嫩飓第三章电缆路径检测系统的硬件设计液晶模块与单片机的接口主要取决于T 6 9 6 3 C 的电路特性，S G 2 4 0 1 2 8 共有2 2条引脚，其说明见表3 3。其中R D，W R 为读、写选通信号，低电平
50、有效，输入信号；C E 是T 6 9 6 3 C 的片选信号，也是低电平有效；C D 是通道选择信号，l 为命令通道，0 为数据通道；R S T 是低电平有效的复位信号，它将行、列计数器和显示寄存器清零，关显示；引脚1 1 1 8 是8 位数据传输总线，三态，用于单片机与S G 2 4 0 1 2 8 之间传输数据；F S 是字体选择(H：6 x 8d o t s，L-8 8d o t s)；B L A和B L K 用来调节液晶屏的背光1 1 5】【J。3 4 3 声音输出在电缆路径检测系统中，操作者不仅可以通过液晶上显示的信息来辨别电缆的位置，还可以通过系统中设计的扬声器的声音的大小来识别电