1 引言

在微弱信號(hào)檢測(cè)方法中，常需要使直流量經(jīng)光電調(diào)制后轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?hào)進(jìn)行測(cè)量，以扣除背景噪聲來(lái)提高系統(tǒng)信噪比。星載紫外遙感儀器同樣采用了壓頻轉(zhuǎn)換和調(diào)制解調(diào)實(shí)時(shí)扣除背景噪聲、零點(diǎn)飄移的方案，但其原有實(shí)現(xiàn)背景噪聲扣除功能的單元在與MCU接口及軟件控制上稍顯繁瑣，而且布線面積較大。如能將背景噪聲扣除功能設(shè)計(jì)成為具有通用接口和易操作的專用集成電路，對(duì)該儀器的升級(jí)換代有積極的意義。

硬件描述語(yǔ)言VerilogHDL 提供了是一種在廣泛的抽象層次上描述數(shù)字系統(tǒng)的方式，以其C語(yǔ)言風(fēng)格，容易掌握等特點(diǎn)贏得了眾多硬件設(shè)計(jì)師的青睞。通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件功能后，下載到FPGA或CPLD大規(guī)模可編程邏輯器件，能將電路板級(jí)產(chǎn)品集成為芯片級(jí)產(chǎn)品。

為此，本文使用VerilogHDL進(jìn)行編程，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)仿真驗(yàn)證和綜合后，得到了具有通用接口和軟件易于操作的背景噪聲電路，彌補(bǔ)了原有單元的不足，取得了較好結(jié)果。

2 背景噪聲扣除電路原理

紫外光譜遙感儀器電控部分由斬光器，精密高壓電源及光電倍增管，單片機(jī)控制單元，同步累加解調(diào)單元，前置低噪聲放大器，壓頻轉(zhuǎn)換組成。其中斬光器將空間輻射光斬切成為交替的“信號(hào)+背景”和“背景”的光信號(hào)，使得光電倍增管輸出的信號(hào)如圖1所示。調(diào)制后的信號(hào)放大后，經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)化后變?yōu)轭l率信號(hào)，通過(guò)同步累加單元的處理。同步累加解調(diào)單元采用四片四位二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器SN54HC193進(jìn)位位相連組成16位加減計(jì)數(shù)器，并配以邏輯門電路組成實(shí)現(xiàn)的。背景噪聲的扣除功能是依靠16位加減計(jì)數(shù)器由時(shí)序控制，在通光狀態(tài)下加計(jì)數(shù)，在遮光狀態(tài)下減計(jì)數(shù)，經(jīng)多周期計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖1經(jīng)斬光器調(diào)制后由光電倍增管輸出的信號(hào)

背景噪聲扣除原理簡(jiǎn)單，但時(shí)序控制較繁瑣。原有電路因布線面積和硬件芯片不易過(guò)多等諸多考慮，計(jì)數(shù)周期及啟停控制采用軟件兩次中斷設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示第一次為中斷本文課題于國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：60538020為啟動(dòng)計(jì)數(shù)，查詢到斬光器信號(hào)第一個(gè)上升沿時(shí)進(jìn)入，設(shè)置好計(jì)數(shù)周期后再次啟動(dòng)MCU片內(nèi)計(jì)數(shù)器，以保證準(zhǔn)確的查詢到第一個(gè)上升沿時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。第二次為停止中斷，采集計(jì)數(shù)周期溢出后停止計(jì)數(shù)。

圖2 軟件控制采集計(jì)數(shù)啟停流程圖

(a) MCU查詢計(jì)數(shù)完成流程圖 (b)中斷執(zhí)行計(jì)數(shù)器的啟停控制流程圖

易見原背景噪聲扣除功能單元需要與MCU接口的數(shù)據(jù)線較多，需16條，且因不同微處理器片內(nèi)資源不同，軟件操作可能會(huì)更繁瑣，可移植性不強(qiáng)。

綜上，如果將背景噪聲扣除功能單元設(shè)計(jì)成一個(gè)8位數(shù)據(jù)總線接口，高低字節(jié)分時(shí)復(fù)用，能對(duì)16位二進(jìn)制數(shù)預(yù)置數(shù)和計(jì)數(shù)周期進(jìn)行設(shè)置，操作上僅由MCU給出啟動(dòng)信號(hào)后，等查詢完成信號(hào)便可讀取計(jì)數(shù)結(jié)果的電路，則可大大減少線路板面積，使接口更簡(jiǎn)單，提高可操作性和移植性。

3 背景噪聲扣除電路的VerilgHDL設(shè)計(jì)

依據(jù)自頂向下設(shè)計(jì)思想和自底向上的實(shí)現(xiàn)方法，背景噪聲扣除電路的可劃分為主模塊(backnoise_deduct)，16位二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)模塊(bit16addsub)，采集控制模塊(Ctrol)，讀寫接口模塊(Addselec)四個(gè)模塊。

主模塊負(fù)責(zé)調(diào)用其它三個(gè)模塊，并將輸入輸出接口進(jìn)行連接。16位二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)模塊負(fù)責(zé)在信號(hào)脈沖到來(lái)時(shí)，對(duì)給定的預(yù)置數(shù)在調(diào)制周期的高電平時(shí)加計(jì)數(shù)，在低電平時(shí)減計(jì)數(shù)。采集控制模塊負(fù)責(zé)當(dāng)MCU給出允許計(jì)數(shù)命令后，自動(dòng)查詢調(diào)制頻率的第一個(gè)上升沿啟動(dòng)計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)周期達(dá)到后停止計(jì)數(shù)，完成計(jì)數(shù)后通知MCU。讀寫接口模塊負(fù)責(zé)與MCU接口，接收儲(chǔ)存計(jì)數(shù)周期（斬光器信號(hào)或調(diào)制信號(hào)的周期數(shù)）和16位的預(yù)置數(shù)，并將最后計(jì)數(shù)結(jié)果返回MCU。

主模塊的外部接口如圖3所示。FREQU1， FREQU2為采樣頻率輸入1和2；CHOP_IN斬光器或調(diào)制頻率輸入，CLR為清零信號(hào)，高電平有效；cpu_alw為MCU發(fā)出的允許信號(hào)，高電平有效；stopsign是采集完成信號(hào)，高電平為完成；WD,RD,CS為是寫、讀、片選信號(hào)；DB為8位雙向數(shù)據(jù)總線；a2_0為3線片內(nèi)寄存器地址譯碼選擇接口。

圖3 背景噪聲扣除主模塊綜合生成原理圖的外部接口

16位二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)模塊(bit16addsub)是背景扣除電路的具體實(shí)現(xiàn)單元，代碼如下所示。

module bit16addsub(

input wire FREQU,//采樣頻率輸入

input wire CHOP_IN,//斬光器輸入

input EN,//啟停控制

input wire CLR,//請(qǐng)零

input wire [15:0] STA_NUM,//初始數(shù)值

output reg[15:0] result_num //計(jì)數(shù)結(jié)果輸出

);

always @(posedge FREQU or posedge CLR)//對(duì)采集信號(hào)和清零信號(hào)敏感

begin

if(CLR==1)//清零

result_num<=STA_NUM;//重新讀入預(yù)置數(shù)

else if(EN==1&&CHOP_IN==1&&FREQU==1)

result_num<=result_num+1;//在使能的狀態(tài)下調(diào)制的信號(hào)高電平時(shí)加計(jì)數(shù)

else if(CHOP_IN==0&&EN==1&&FREQU==1)

result_num<=result_num-1;//在使能的狀態(tài)下調(diào)制信號(hào)的低電平時(shí)減計(jì)數(shù)

end

endmodule

采集控制模塊(Ctrol)是整個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)序控制核心，它輸出的ctrol與16位二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)模塊(bit16addsub)的EN向連接便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制計(jì)數(shù)的啟動(dòng)，待計(jì)數(shù)周期溢出時(shí)停止，計(jì)數(shù)完成后由stopsign后給出高電平信號(hào)通知MCU。其完整代碼如下：

module Ctrol(input wire reset, //復(fù)位信號(hào)

input wire cpu_alw, //MCU允許信號(hào)

input wire chop_in, //斬光器輸入計(jì)數(shù)

input wire [16:0] status_in, //計(jì)數(shù)周期數(shù)值

output reg ctrol, //加減計(jì)數(shù)器的啟停控制信號(hào)

output reg stopsign //計(jì)數(shù)完成信號(hào)

);

reg [16:0]num_count;//內(nèi)部計(jì)數(shù)周期寄存器

always @(posedge reset or posedge chop_in)

begin

if(reset)//復(fù)位

begin

num_count<=status_in; //讀入計(jì)數(shù)周期

ctrol<=0;??????????? //停止計(jì)數(shù)

stopsign<=0;???????? //沒(méi)有完成計(jì)數(shù)

end

else if(chop_in==1&&cpu_alw==1)//允許計(jì)數(shù)

begin

if(num_count>0) //采集未完成

begin

ctrol<=1;????????? //16加減計(jì)數(shù)器使能

num_count<=num_count-1;//計(jì)數(shù)周期減一

end

else

begin

ctrol<=0;?????????? //計(jì)數(shù)停止

stopsign<=1;??????? //通知MCU

end

end

end

endmodule

讀寫接口模塊(Addselec)在編程時(shí)采用通用的雙向數(shù)據(jù)總線輸入輸出方法，經(jīng)過(guò)a2_0的3線譯碼選擇寄存器地址，可對(duì)計(jì)數(shù)周期和預(yù)置數(shù)進(jìn)行賦值，并可讀出最后計(jì)數(shù)結(jié)果。表1給出了譯碼對(duì)應(yīng)的寄存器地址。

表1 a2_0譯碼選擇真值表

圖4給出了使用ModelSim 軟件對(duì)寫信號(hào)有效的仿真波形，顯示最后計(jì)數(shù)周期低、高8位寫入的數(shù)值為00000101、00000000，預(yù)置數(shù)低、高8位數(shù)值為00000011、00000000。

圖4 計(jì)數(shù)周期和預(yù)置數(shù)在總線寫入時(shí)的波形仿真結(jié)果

4背景噪聲扣除電路與MCU接口及軟件操作

圖5背景噪聲扣除電路的軟件操作流程

采用上述設(shè)計(jì)的集成背景噪聲扣除電路在與MCU接口時(shí)十分方便。以MCS51系列單片機(jī)8051為例，最簡(jiǎn)單的連接方式為采用P1口與CLR、cpu_alw、stop_sign相連接，址線與CS、a2_0連接(可據(jù)電路規(guī)模設(shè)置片選方式)，數(shù)據(jù)線、讀寫正常連接即可。軟件操作不需要中斷，操作流程如圖5所示。更簡(jiǎn)單的做法是在系統(tǒng)初始化時(shí)將預(yù)置數(shù)和計(jì)數(shù)周期賦值為固定值即可。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了采用計(jì)數(shù)器與門電路組成的背景噪聲扣除電路的實(shí)現(xiàn)原理和工作方式，并分析了其局限性，然后提出了一種基于VerilogHDL 語(yǔ)言的背景噪聲扣除電路的設(shè)計(jì)，使電路接口更為簡(jiǎn)單，軟件更易操作，增強(qiáng)了移植性。該設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于在研的紫外遙感儀器中，為儀器的更新?lián)Q代提供了技術(shù)支持。本文以通用性和簡(jiǎn)便性出發(fā)設(shè)計(jì)的背景噪聲扣除電路的設(shè)計(jì)，將適用于以光電調(diào)制微弱直流量轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)測(cè)量的方案。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):針對(duì)原有背景噪聲扣除功能單元的局限性，用VerilogHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)出了接口方便、易操作的背景噪聲扣除電路，使其有具備了較強(qiáng)的通用性和適用性。