雷电定位系统中基于CPLD的数据处理设计及实现，石秋跃，王海婴，本文探讨了雷电信号监测定位中的数据处理方法，结合具体的科研课题，设计和实现了基于TOA（Time of Arrival）到达时间法的高精度雷电信
印国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 率,要在CPLD中首先进行降速处理,再进行后续的数据处理。 22高频数据 高频部分的数据处理:50MHz数据速率,以80us为一个采集窗口(一秒内共有125K 个窗口),每个采集窗口中容纳4000个数据,求出该窗口内的4000个样值点内的最大值, 并将该值和该值的时间标记写入ffo模块。 3CPLD数据处理部分的功能实现 高频和低频模块公用同一个时间标记计数器,在逻辑上是两个独立的部分,但是在编写 VHDL程序的时候可以放在一起。图2是CPLD的内部逻辑电路图,分成预处理(ddff) 时间计数( counter)、高频处理( bubble)、低频处理( bubble)四个模块。 bubble counter dat ac111.0 data out[11.0 data 11.01 cnto[25.0 cnt out[25. 0] cnt(25.0thn:c[11.0 11 cnt1 c nos n1>an canteen phase[7. 0] 0 datal11.01 cnt250 cntrego 18..01 test(25.0 fo seatac 图2高频和低频部分的逻辑图 卜面对几个子模块分别说明 l)dm:作为奇偶杪的分离模块。由」在第n秒需要在内部保留第n-1秒计算出的n-1 秒实际的50MHz脉冲计数的个数,因此在算法上设定奇偶秒,使用两组计数器分别作为奇 数秒、偶数秒的有效标识信号。 2) counter:秒内时间标记计数器。不论是高频数字信号还是低频数字信号,都需要定 出秒内的时间标记,而这个时间标记跟高频低频无关,只需要能够为样值点定标即可,因此 设计高频信号和低频信号共用同一个时间计数器。时间计数器使用26bit的计数器,满足对 50MHz晶振的测量要求 3) bubble:用气泡法实现对高频数据的处理。气泡法的原理:没置一个最大值寄存器 Mmax和超过阈值数寄存器Mp当一个新的时间片开始之前,将Mmax和Mp清零,然后 依次判断到来的数据是否超过阈值,如果是则寄存器Mp加1。同时到来的数据与最大值寄 存器Mmax中的数据进行比较,如果大」则用新值替换Mmax中的值,如果小」则Mmax 不变。当这个吋间片结束吋,判断超阈值寄仔器Mp的值是否为零,如果不为零则将Mmax 和Mp的数值输出。 4) bubbler:低频数据的处理。当检测到有超过预设阈值后,在S=8ms长的时间片内连 续采集低频数字信号,数据速率为2MHz。AD9238的双通道AD转换芯片的特性是当两个 通道的薮据釆样率相差越小时,两个通道转换的信噪比越高。根据这个特性,我们设定低频 印国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 部分在ΔD转换时的速率仍然保持50MHz,而在CPLD内部对数据进行处理,以提高整个 系统的精度。 因此在检测到超过阈值时,在8ms的时间片内设定16K个子窗口,每个窗口的长度为 500ns,在每个子窗口内使用气泡法检测一个最大值,这样每隔500ns就有一个最大值出现, 采样速率保持为2MHz,但是提高了采样的准确性。 4系统仿真结果 图3是高频和低频输出的数据和时间计数的仿真结果: Master time bar 3.62ns Pointer 1.56us Interval 2.24us Start 10.0 2. us pPs 00 图 datain 团 dataB 田 anton Foor-0000x00402X0*040和(0 图 detat国 187 短1R3XCA顺1X1柯,1F cnt 000004米0100c00 0u01005 米00013 dataoB 000 *D**000%FI*OOEE 000 LxcX12日物x fdat ao 图3高、低频输出的数据和时间计数的仿真 其中 datain和 dataB分别是高频模块和低频模块的输入信号,发生雷电时,由于采集的 是同一个雷电信号不同的频段的电磁波信号,因此两组信号的变化趋势应该是相同的,在仿 真时设定两组数据相同。 cnta和 datas是高频模垬输出的数据和时间计数值, flagwin信 号是窗口起始标识,脉宽可调。cηtoB和 dataoB是低频模块输出的数据和时间计数值, fento 和 fatso分别是cnoB和 dataoB的标识信号 从图3中我们可以看出,两组数据的输出没有必然关系。高频部分的采集是定时的, 监测到过阙值时输岀,采集过程中的数据输出是恒定速率12.5KHz,而由于低频部分的数据 是检测到超过阈值就开始采集一个8ms的数据片断,则它的输出没有规律,低频部分的数 据输出可以看成一个长期稳定速率的随机过程,采集过程中的输出速率约为2MHz。例如, 在950ns处的高频和低频数据有重复输出的时刻,在2.87us处的两组数据则是没有重复输出 因此在设定FIFO控制模块的采集吋需要综合考虑高频和低频部分的采集。 5结论 本文给出了雷电信号实时定位系统中,基于CPLD的数据处理部分功能的设计和实现方 案。木数据处理系统,高频和低频两路数据结合,釆用不冋的处理方式,分屴提取信息。并 将信息写入丘o,供ARM进行后续处理。 对于低频数据,有超过阀值的数据时,采用连续记录的方法,记录下雷电信号的总体走 势;对于髙频数据,采用开窗的方法,选择出个窗口4000个数据中的超过阀值的最大值, 并记录相关信息,以此保存雷电信号的高频抖动信息。 本文对实际实现方法,进行了设计和验证,给出了实际仿真结果,并经过测试,证实了 此科方法的可行性。 印国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 参考文献 陈渭民.雷电学原理(第二版M北京:气象出版社,206 [2]肖稳安雷电与防护技术基础[M北京:气象出版社,2006 [3]王道洪,郄秀书,郭昌明,雷电与人工引雷[M上海:上海交通大学出版社,2000 [4]罗朝霞,高书莉 CPLD/FPGA设计及应用[M]北京:人民邮电出版社,2007 [S]吴华华,干诚 Altera fPga/cPld设计(高级篇)[M北京:人民邮电出版社,2005 DESIGN AND RELIZATION OF CLOCK CALIBRATION BASED ON CPLD Shi Qiuyue, Wang Haiying College of information and communications Engineering, Beijing University of Post And telecommunication, Beijing(100876) Abstract This paper studies the data processing theory and the method of lightning location. Combine to actual scientific research, the design of the high precise lightning location system base on TOA(Time of Arrival) is introduccd. Following, data processing and transfer are particularly studied. This paper raise a new blue print in data processing and realize it, then give some conclusion from elementary experiment. It provides a novel data collceting system which can process the lighting signal in both low and high frequence band and the data collection system has been realized bascd on Cpld Keywords: data processing; lightning; CPLD