基于单片机与FPGA控制的信号模拟器的设计 (1).pdf

本文介绍了一种基于ARM7LPC2136单片机和FPGA技术的信号模拟器的设计方案。该信号模拟器主要面向生物医学领域，能够模拟人体生理信号，并通过特定的电路处理输出相应的波形和数据。 设计者选用了ARM7LPC2136作为控制核心，该微处理器具备串口通信功能，可以连接键盘和显示设备，并支持SD卡存储。通过这些功能，模拟器能够接收外部指令并显示相关信息。同时，为了满足高频率和高精度的波形输出需求，设计者利用FPGA实现了直接数字频率合成(DDS)电路，通过DDS原理设计波形发生电路，再将波形通过信号调理电路输出。 在硬件设计方面，模拟器的总体硬件结构采用双微处理器设计。一部分由ARM7LPC2136控制，另一部分则由FPGA控制实现DDS电路的波形转换。硬件框图包括微处理器控制模块、SD卡存储模块、USB通信接口模块、键盘显示模块、波形发生单元模块、信号调理单元模块和检测单元模块。这些模块协同工作，实现了信号模拟器的功能。 波形发生单元的设计是模拟器中的关键部分。通过微处理器LPC2136控制FPGA逻辑器件，波形发生单元能够从外部FLASH存储器中提取波形数据，经由高速DAC模块输出模拟波形。信号调理电路则是为了提高波形的质量，通过低通滤波滤除高次谐波，并通过幅度控制电路和功率放大电路实现波形的放大。这一部分的设计确保了模拟信号的准确性和稳定性。 检测单元电路是模拟器中用于采集和处理生物医学信号的部分。它能够放大脉搏波信号，并通过陷波电路消除工频干扰。滤波单元则由带通滤波器组成，可滤除高频噪声和低频噪声。整形单元电路用于稳定输出信号的波形。恒流源电路设计允许负载电流不受电阻变化的影响，从而保证了输出电流的稳定性。 在数模转换电路设计方面，根据性能指标选择的DAC芯片是AD9744，其具有20MSPS以上的采样率和14bit分辨率。AD9744的模拟输出经过差分放大电路，将电流信号转换为电压信号。 除了上述硬件设计要点，系统还包含了外围电路设计，其中USB接口电路模块用于与外部设备通信，SD卡存储模块用于数据存储。此外，系统还支持USB接口的数据上传功能，允许将设备参数等信息上传至USB存储设备，并进行克隆操作。 在系统的主控电路设计中，微处理器和FPGA共同控制着模拟器。主控电路的具体结构包括微处理器模块、USB通信模块、SD卡存储模块等。 本文详细阐述了一种集成了单片机和FPGA技术的信号模拟器的设计方案及其工作原理。设计者不仅关注了模拟器的硬件设计，还包括了外围设备、数模转换和信号检测等功能模块的实现。该设计对于生物医学信号监测设备的开发具有一定的参考价值，并且展示了嵌入式系统开发中软硬件协同设计的重要性。