一种基于SoPC的低应变反射波检测系统

　　根据系统结构需求，IP核的设计如下：

NiosⅡ/经济型软核处理器：SoPCBuilder中包含三种可选的软核处理器[4]。NiosⅡ/经济型软核处理器具备最小的体积，完全能满足本设计的应用需求。

　　片上存储器：EP2C8 FPGA提供165 888 bit的RAM内存，共计36个M4k的存储块。

　　定时器模块提供了系统所需的时钟中断。

　　并行输入输出模块（PIO）通过2 bit的二进制信号来控制滤波器的截止频率，并负责检测触发信号。

　　串行外设接口（SPI）作为从属设备来与模数转换器通信。

　　通用异步收发器（UART）提供了人机交互接口。反射波数据经过采集和调制后，可以通过USB-UART转换芯片CP2102将其由SoPC模块上传至电脑做进一步的处理。这里，USB接口可被视作一个虚拟的通用异步收发器来访问。

　　LCD模块用来控制分辨率为320×240的液晶触摸屏，其参数可自行定制。

　　EPCS、CFI和SDRAM控制器的作用是控制外围扩展存储器。EPCS控制器在系统启动时从EPCS4（串行配置芯片）下载硬件配置文件到FPGA。CFI（通用闪存接口）控制器具备32 Mb的Avalon接口（S29AL032），SDRAM控制器同样也具备64 Mb的Avalon接口，为访问存储器提供了便利。系统运行中,闪存存储配置文件，而SDRAM存储各类数据。

　　所有的模块将由用户或SoPCBuilder指派不同的地址。NiosⅡ处理器通过Avalon总线访问这些模块或外部设备。

　　3.2 信号采集模块

　　选择用于低应变反射波检测系统的加速度传感器，必须使其与小锤在敲击后产生的反射波的频率匹配。一般来说,用于基桩无损检测的有效信号频率为0~2 kHz，加速度传感器LC0104T正好满足这个条件，其敏感度为100 mV/g，量程为50 g，且频率范围达到9 kHz，安装谐振点为27 kHz。基于SoPC的信号采集模块信道噪声低，精度高，如图4。

　　加速度传感器的输出端与20 kΩ的电阻并联，将电流信号转换成毫伏级的电压信号。在信号传输过程中，用二阶有源巴特沃斯低通滤波器来优化信号，并过滤掉高频噪声。NiosⅡ通过PIO可以控制4个可编程中断的频率，分别是500 Hz、1 kHz、2 kHz和4 kHz。

　　AD7764是一种高性能、高速率、24位的Σ-Δ型A/D转换器，融合了宽输入带宽、高速率的特性，312 kHz输出数据速率时动态范围为109 dB，并且与FPGA有着灵活的SPI接口(SCO、nFSO、SDO、SDI)。FPGA中50 MHz的外部时钟信号可通过锁相环分频输出20 MHz时钟信号,以此驱动AD7764的MCLK,并使A/D转换器的nRESET端口在每个MCLK时钟周期中被置低,这样，NiosⅡ就可以通过SPI从模块读取包括24位转换数据的32位信号。

　　为了记录整个波形,低应变反射波的采样流程如下：通过LCD触摸屏发出采集信号指令，当触发器侦测到通过滤波器的输入信号的电压达到阈值电压时，便传送给NiosⅡ处理器一个低电平到高电平的跳变信号,NiosⅡ处理器马上记录此阈值电压信号的存储地址。A/D转换器开始捕获1 024个采样的输入信号，NiosⅡ将24位转换数据写入外部闪存S29AL032中。最终，通过对加速度传感器的数据处理，整个波形就可以用多个这样的存储地址中的数据，通过式(3)复原。