基于fpga控制的非线性模/数转换的线性化处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于FPGA控制的非线性模/数转换的线性化处理方法，由FPGA中的有限状态机控制模/数转换器对信号进行转换，模/数转换器的转换状态包括初始状态、转换启动状态、转换完成判断状态、数据输出状态；模/数转换器将转换后的数据信号传输至FPGA进行线性化处理；多次重复测量，对得到的多组线性化处理后的数据求平均；将求平均后的数据信号传输到上位机进行去噪处理。将数据信号通过FPGA进行线性化处理，然后对其进行多次测量求平均，省掉了麻烦的除法计算，最终去除信号中混有的白噪声，以此来排除当非线性A/D输入在0V左右，对A/D输出求平均时出现的数据异常现象，从而获得稳定的数据输出。
【专利说明】
基于FPGA控制的非线性模/数转换的线性化处理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及信号模拟领域，尤其涉及用于热电堆探测器之一种基于FPGA控制的非 线性模/数转换的线性化处理方法。
【背景技术】
[0002] 在现代生产生活中的各个领域往往需要对多个信号进行测量，所测的信号多为模 拟信号，必须先经过A/D(模/数)转换，变成数字信号才能送入计算机进行相应的处理，从而 实现对系统的控制，这个过程就涉及到信号的采集和处理。现在的FPGA (Fie Id - Programmable Gate Array:即现场可编程门阵列）芯片不仅具有很强的逻辑控制能力，而 且还有较强的数字信号处理能力，因此将FPGA应用于信号采集和处理领域已成为今后的一 种发展趋势。这里我们以热电堆探测器作为A/D输入为例，来说明现有技术中基于FPGA控制 的非线性A/D处理方法。
[0003] 这里我们用到的非线性A/D芯片型号是AD7691BRMZ，这是一个18位的差分A/D转换 器，它的输出与输入电压对应关系如表1所不，表1为输入电压与输出关系表。
[0004] 表 1
[0006] 在FPGA用于对A/D采集数据进行处理的过程中最为常见的就是多次测量求平均 值，当进入A/D的输入电压全大于38.15μν或者全小于-38.15μν时，输出的数字信号针对输 入电压为线性关系，经FPGA控制求平均值后得到的数据为正确值，但当输入电压在0V左右 徘徊时，也就是在求平均值这个时间段内，输入电压既出现了正电压也出现了负电压，这时 经过FPGA控制求得的平均值将会是一个异常值。举个简单例子，当只作两次测量求平均时， 一次输入电压为+1个最低有效值，另一次输入电压为-1个最低有效值，这时对应的输出数 字信号分别为0x00001和0x3FFFF，相加求和取平均值后的数据为0x20000,而这一 A/D数字 信号输出对应的输入电压却为负满量程，显然此结果并非正确值。热电堆探测器为感温型 探测器，当无外界入射光照射时，由于噪声电压的存在使其输出电压常常在0V上下徘徊，所 以在热电堆探测器型的光功率计上，当无光照射下，经过多次测量求平均值后往往会出现 数据异常的现象。
[0007] 因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。
【发明内容】
[0008] 鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于FPGA控制的非线性 模/数转换的线性化处理方法，以解决模/数输出求平均时出现的数据异常的技术问题，进 而获得稳定的数据输出。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明方案包括：
[0010] 一种基于FPGA控制的非线性模/数转换的线性化处理方法，其包括以下步骤：
[0011] A、由FPGA中的有限状态机控制模/数转换器对信号进行转换，模/数转换器的转换 状态包括初始状态、转换启动状态、转换完成判断状态、数据输出状态；
[0012] B、模/数转换器将转换后的数据信号传输至FPGA进行线性化处理；
[0013] C、多次重复步骤A、步骤B，将得到的多组线性化处理后的数据进行求平均处理； [0014] D、将求平均后的数据信号传输到上位机进行去噪处理。
[0015]所述的线性化处理方法，其中，上述步骤A中的模/数转换器为十八位差分模/数转 换器。
[0016] 所述的线性化处理方法，其中，上述步骤B具体的还包括:将数据信号进行高位取 反处理，此时如果建立直角坐标系，此时以模/数输入为横轴，以输出数据信号为纵轴，在整 个工作电压范围内模/数的输入输出就呈现线性化。
[0017] 所述的线性化处理方法，其中，上述步骤C具体的还包括:测量2n次数据求平均值， 其中η为正整数，对求和后的二进制数据总数右移η位便是平均后的数据。
[0018] 所述的线性化处理方法，其中，上述步骤D具体的还包括:将平均后的数据逐个传 给上位机，上位机获得数据后先寄存，等所有测试数据都寄存完毕后，再对所有的寄存数据 进行小波去噪处理，去除信号中混有的白噪声。
[0019]本发明提供的一种基于FPGA控制的非线性模/数转换的线性化处理方法，将数据 信号通过FPGA进行线性化处理，然后对其进行多次测量求平均，省掉了麻烦的除法计算，最 终去除信号中混有的白噪声，以此来排除当非线性A/D输入在0V左右，对A/D输出求平均时 出现的数据异常现象，从而获得稳定的数据输出。
【附图说明】
[0020]图1为现有技术中A/D输入输出关系图；
[0021 ]图2为本发明中FPGA进行线性处理后的A/D输入输出关系图；
[0022]图3为现有技术中处理A/D信号的示意图；
[0023]图4为采用本发明处理A/D信号的示意图；
[0024]图5为本发明中线性化处理方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0025]本发明提供了一种基于FPGA控制的非线性模/数转换的线性化处理方法，为使本 发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此 处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]本发明提供了一种基于FPGA控制的非线性模/数转换的线性化处理方法，其包括 以下步骤：
[0027]步骤一，由FPGA中的有限状态机控制模/数转换器对信号进行转换，模/数转换器 的转换状态包括初始状态、转换启动状态、转换完成判断状态、数据输出状态；
[0028]步骤二，模/数转换器将转换后的数据信号传输至FPGA进行线性化处理；
[0029]步骤三，多次重复步骤一、步骤二，将得到的多组线性化处理后的数据进行求平均 处理；
[0030] 步骤四，将求平均后的数据信号传输到上位机进行去噪处理。
[0031] 更进一步的，上述步骤一中的模/数转换器为十八位差分模/数转换器。
[0032] 上述步骤二具体的还包括:将数据信号进行高位取反处理，此时如果建立直角坐 标系，以模/数输入为横轴，以输出数据信号为纵轴，在整个工作电压范围内模/数的输入输 出就呈现线性化。
[0033]上述步骤三具体的还包括：测量2"次数据求平均值，其中η为正整数，对求和后的 二进制数据总数右移η位便是平均后的数据。
[0034] 上述步骤四具体的还包括:将平均后的数据逐个传给上位机，上位机获得数据后 先寄存，等所有测试数据都寄存完毕后，再对所有的寄存数据进行小波去噪处理，去除信号 中混有的白噪声。
[0035] 为了更进一步描述本发明的处理方法，以下列举更为详尽的实施例进行说明。以 十八位差分模/数转换器，即十八位AD7691BRMZ芯片为例进行说明。如图5所示的，其具体如 下：
[0036]步骤（1):用有限状态机来产生AD7691BRMZ的转换控制模块。主要可分为初始状 态、转换启动状态、转换完成判断状态、数据输出状态等。
[0037]步骤(2):当FPGA得至ljA/D转换后的数据信号后，要对此数据进行线性化处理。具体 到本例中是把得到的A/D输出信号强制加上0x20000,即最高位取反，此时如果建立直角坐 标系，以A/D输入为横轴，以输出数据信号为纵轴，在整个工作电压范围内A/D的输入输出就 呈现出线性化，就可以避免后续0V左右求平均时出现的数据异常问题，其对比结果如图1与 图2所示的。
[0038] 步骤(3):对高位取反后的数据多次测量求平均。这里如果没有特殊要求的情况 下，可以测量2"次数据求平均值，其中η为正整数，这样对求和后的二进制数据sum右移η位 便是平均后的数据，省掉了麻烦的除法计算。这里我们对每组2 1°个数据进行求平均值，只需 要把2ι〇个数据求和，选取sum[27……10]这18位二进制数即为求平均后的数据。
[0039] 步骤(4):把求完平均的数据传给上位机并进行去噪处理。平均后的数据逐个传给 上位机，上位机获得数据后先寄存，等所有测试数据都寄存完毕后，再对所有的寄存数据进 行小波去噪处理，去除信号中混有的白噪声，最终处理后的数据与未进行线性化处理的数 据对比如图3与图4所示的。显然的，通过对A/D输出数据先与0x20000相加后再进行多次相 加求平均处理，这样可以避免A/D输入0V左右的数据突变现象，从而获得稳定的数据输出。
[0040] 当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应 当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明 显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
【主权项】
1. 一种基于FPGA控制的非线性模/数转换的线性化处理方法，其包括以下步骤： A、 由FPGA中的有限状态机控制模/数转换器对信号进行转换，模/数转换器的转换状态 包括初始状态、转换启动状态、转换完成判断状态、数据输出状态； B、 模/数转换器将转换后的数据信号传输至FPGA进行线性化处理； C、 多次重复步骤A、步骤B，将得到的多组线性化处理后的数据进行求平均处理； D、 将求平均后的数据信号传输到上位机进行去噪处理。2. 根据权利要求1所述的线性化处理方法，其特征在于，上述步骤A中的模/数转换器为 十八位差分模/数转换器。3. 根据权利要求1所述的线性化处理方法，其特征在于，上述步骤B具体的还包括:将数 据信号进行高位取反处理，此时如果建立直角坐标系，则以模/数输入为横轴，以输出数据 信号为纵轴，在整个工作电压范围内模/数的输入输出就呈现线性化。4. 根据权利要求1所述的线性化处理方法，其特征在于，上述步骤C具体的还包括:测量 2"次数据求平均值，其中η为正整数，对求和后的二进制数据总数右移η位便是平均后的数 据。5. 根据权利要求1所述的线性化处理方法，其特征在于，上述步骤D具体的还包括:将平 均后的数据逐个传给上位机，上位机获得数据后先寄存，等所有测试数据都寄存完毕后，再 对所有的寄存数据进行小波去噪处理，去除信号中混有的白噪声。
【文档编号】H03M1/12GK106027047SQ201610330609
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】董杰, 韩顺利, 张鹏, 吴寅初, 韩强
【申请人】中国电子科技集团公司第四十研究所, 中国电子科技集团公司第四十一研究所