基于PC/104接口的ACM程控測試系統(tǒng)設計

引言

    在對飛機附件進行維修時，可以通過模擬飛行時可能出現(xiàn)的不同情況的環(huán)境參數(shù)，預檢測附件的可能工作狀態(tài)，以期達到合格的維修要求。顯然，使用傳統(tǒng)的分散型單片機控制檢測儀表系統(tǒng)要消耗大量的人力物力，而且很難保證測試系統(tǒng)的精度，系統(tǒng)的可擴展性也較差。隨著數(shù)字信號處理技術和微電子技術的發(fā)展，在一個較小的系統(tǒng)里完成多路數(shù)據(jù)參數(shù)的實時測量處理成為可能，因此，本文設計了一種分布式的數(shù)據(jù)測量檢測系統(tǒng)，對各路參數(shù)進行分布式檢測，統(tǒng)一傳回主控室上位機進行集中分析處理，同時上位機可以發(fā)出相應控制命令，通過控制多路閥門通道的開度組合，得到模擬的待測附件的飛行工作環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能框圖

程控測試系統(tǒng)的特點

    本系統(tǒng)通過控制換熱器8路閥門的不同開度組合來模擬待測附件的工作環(huán)境參數(shù)，在該模擬環(huán)境下完成各參數(shù)測量，得到檢測結(jié)果。測量參數(shù)的獲取通過溫度、壓力、位移等傳感器完成，本系統(tǒng)具有如下特點：

1.測量點為15路混合信號，即既有14路模擬信號，又有1路數(shù)字信號；
2.模擬信號既有慢變化的溫度、流量等待測信號，又有快變化的位移信號，測量時數(shù)據(jù)采集頻率不同；
3.各檢測點具有較強的相關性；
4.系統(tǒng)需要控制8路對象組合來實現(xiàn)不同環(huán)境參數(shù)的模擬，控制相對誤差須在1%左右；
5.被控對象以及待測試對象離主控室距離較遠，且測量控制工作現(xiàn)場噪聲很大，環(huán)境惡劣。

    基于以上特點，本文設計的ACM程控檢測系統(tǒng)如圖1所示。

    由圖1可知，系統(tǒng)主要由前端模擬信號調(diào)理電路、A/D數(shù)據(jù)采集和D/A轉(zhuǎn)換芯片、FPGA、嵌入式計算機、主控室計算機和閥門幾部分組成。前端測量數(shù)據(jù)的獲取包括各種信號傳感器和前置濾波整形處理電路。一路轉(zhuǎn)速傳感器數(shù)字脈沖信號經(jīng)施密特觸發(fā)器整型后直接送入FPGA進行脈沖記數(shù)，通過8MHz時鐘采樣，完成檢測過程；模擬信號需通過A/D變換。嵌入式計算機通過PC/104接口訪問雙口RAM，讀取采集數(shù)據(jù)和寫入控制命令信息，并通過以太網(wǎng)接口與主控室的上位機進行檢測數(shù)據(jù)及控制命令信息的傳輸交互。

ACM程控測試系統(tǒng)設計

嵌入式計算機SBC-C26

    完成數(shù)據(jù)傳輸前的預處理等功能由嵌入式計算機實現(xiàn)，它具有功耗低、可靠性高、功能強大、性價比高等優(yōu)點。本設計中采用的嵌入式PC為集智達公司的SBC-C26。

圖2 FPGA電路接口示意圖

    由于本系統(tǒng)對實時性要求較高、數(shù)據(jù)交換量大，結(jié)合軟件與硬件的復雜度考慮，采用內(nèi)存直接影象的方式進行數(shù)據(jù)交換在PC/104進行地址映射時，使用ADDR[0：19]作為地址線；/RE和/WE為存儲器讀寫信號，DATA[7：0]為雙向數(shù)據(jù)傳輸線。

FPGA芯片EP1K100QC208

    FPGA集成度高、體積小、功耗低、工作頻率高，可以集采集控制、緩沖存儲、傳輸控制以及接口控制于一個芯片內(nèi)，編程配置靈活而且比較容易移植，因此，本設計選用Altera的EP1K100QC208器件來完成。

    EP1K100QC208具有147個用戶I/O引腳，內(nèi)嵌RAM資源為49152Bit，可編程邏輯資源為4992個，可滿足設計需求。而且該器件兼容5V電平驅(qū)動，輸出驅(qū)動電平為3.3V，所以PC/104總線讀寫控制信號可直接輸入FPGA而省去電平轉(zhuǎn)換芯片；對于需要電平轉(zhuǎn)換的雙向數(shù)據(jù)線，可用74HC245三態(tài)隔離芯片，通過控制74HC245的OE和DIR引腳來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及驅(qū)動電平轉(zhuǎn)換；FPGA控制完成一次采集后，向嵌入式計算機發(fā)送的中斷信號通過TPS61032升壓DC-DC芯片連接到PC/104總線INT引腳，該芯片可實現(xiàn)3.3V到5V電平轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)關鍵電路設計

    為了協(xié)調(diào)A/D采集、D/A控制與PC/104總線傳輸速度，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，采用緩沖存儲電路設計，用FPGA內(nèi)嵌RAM資源設計成雙口RAM，以實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)緩沖存儲。FPGA完成一次采集后向嵌入式計算機發(fā)中斷信號，通知嵌入式計算機讀取數(shù)據(jù)，且FPGA通過查詢主控室計算機發(fā)送給嵌入式計算機，再經(jīng)嵌入式計算機寫入FPGA寄存器的命令字控制D/A轉(zhuǎn)換、啟動和停止A/D采集以及控制雙口RAM的讀寫時序。由于控制閥需要4~20mA電流驅(qū)動，而D/A轉(zhuǎn)換芯片為0~5V電壓輸出，所以D/A轉(zhuǎn)換輸出控制信號需通過AD694芯片完成0~5V電壓到4~20mA電流信號的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)硬件電路接口關鍵設計如圖2所示。

系統(tǒng)電路設計的FPGA實現(xiàn)

A/D采集控制及數(shù)據(jù)緩存電路設計

    讀寫控制電路的作用是產(chǎn)生合適的控制脈沖，控制A/D轉(zhuǎn)換以及將轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入雙口RAM。本設計選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片為2片MAX1262，12位轉(zhuǎn)換精度，采用8通道單端模擬輸入方式，可實現(xiàn)14路模擬信號采集測量。FPGA通過發(fā)送寫脈沖和寫控制字完成控制啟動和通道選擇， A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號INT有效后發(fā)送讀信號，完成檢測結(jié)果的讀入，不同通道的數(shù)據(jù)采集頻率控制可通過寫入通道控制字來完成。當讀入采集結(jié)果后就按低、高位字節(jié)順序?qū)懭腚p口RAM，雙口RAM通過直接例化Quartus軟件中的宏模塊實現(xiàn)，其數(shù)據(jù)線位寬為8位。

D/A轉(zhuǎn)換控制電路設計

    FPGA通過查詢命令寄存器值執(zhí)行相應得D/A轉(zhuǎn)換，完成系統(tǒng)控制操作，得到相應實現(xiàn)的模擬環(huán)境條件參數(shù)。由于需要8路D/A轉(zhuǎn)換，所以選用具有8通道的單片TLC5628實現(xiàn)，其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度為8位，0~5V模擬電壓輸出，可以滿足設計要求。該芯片數(shù)據(jù)接口為3線串行總線，轉(zhuǎn)換時在時鐘下降沿串行輸入3bit通道選擇、1bit范圍控制、8bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換位，通過啟動異步load控制信號完成D/A轉(zhuǎn)換功能。

PC/104總線接口設計

    PC/104總線接口設計實際上是按照PC/104總線時序完成地址譯碼鎖存和數(shù)據(jù)線的數(shù)據(jù)雙向傳輸功能。按照PC/104總線存儲器讀寫時序進行FPGA電路設計，經(jīng)驗證，完全能夠由SBC-C26經(jīng)該接口電路完成對FPGA內(nèi)部RAM或寄存器的正常讀寫功能。該接口電路利用Verilog語言描述，經(jīng)由Synplify Pro 綜合得到RTL網(wǎng)表。
整個系統(tǒng)控制電路采用FPGA進行設計，共占用EP1K100器件近1000個邏輯單元，在精簡系統(tǒng)硬件的同時，為系統(tǒng)功能的擴展提供了較大的靈活性，是一種比較理想的程控測試系統(tǒng)硬件設計解決方案。

結(jié)語

    整個系統(tǒng)控制電路采用FPGA設計，精簡了系統(tǒng)硬件，采取A/D轉(zhuǎn)換芯片模擬電源由線性穩(wěn)壓模塊單獨提供、D/A轉(zhuǎn)換芯片數(shù)控端與FPGA經(jīng)光耦隔離和印制板表面鋪銅等抗干擾措施，保證和提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量的可靠性和精度；使用以太網(wǎng)通信方式，有效解決了遠距離測量數(shù)據(jù)傳輸問題。