基于PC/104接口的ACM程控測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

    在對(duì)飛機(jī)附件進(jìn)行維修時(shí)，可以通過(guò)模擬飛行時(shí)可能出現(xiàn)的不同情況的環(huán)境參數(shù)，預(yù)檢測(cè)附件的可能工作狀態(tài)，以期達(dá)到合格的維修要求。顯然，使用傳統(tǒng)的分散型單片機(jī)控制檢測(cè)儀表系統(tǒng)要消耗大量的人力物力，而且很難保證測(cè)試系統(tǒng)的精度，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性也較差。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，在一個(gè)較小的系統(tǒng)里完成多路數(shù)據(jù)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量處理成為可能，因此，本文設(shè)計(jì)了一種分布式的數(shù)據(jù)測(cè)量檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)各路參數(shù)進(jìn)行分布式檢測(cè)，統(tǒng)一傳回主控室上位機(jī)進(jìn)行集中分析處理，同時(shí)上位機(jī)可以發(fā)出相應(yīng)控制命令，通過(guò)控制多路閥門(mén)通道的開(kāi)度組合，得到模擬的待測(cè)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(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)

    本系統(tǒng)通過(guò)控制換熱器8路閥門(mén)的不同開(kāi)度組合來(lái)模擬待測(cè)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(cè)量，得到檢測(cè)結(jié)果。測(cè)量參數(shù)的獲取通過(guò)溫度、壓力、位移等傳感器完成，本系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

1.測(cè)量點(diǎn)為15路混合信號(hào)，即既有14路模擬信號(hào)，又有1路數(shù)字信號(hào)；
2.模擬信號(hào)既有慢變化的溫度、流量等待測(cè)信號(hào)，又有快變化的位移信號(hào)，測(cè)量時(shí)數(shù)據(jù)采集頻率不同；
3.各檢測(cè)點(diǎn)具有較強(qiáng)的相關(guān)性；
4.系統(tǒng)需要控制8路對(duì)象組合來(lái)實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境參數(shù)的模擬，控制相對(duì)誤差須在1%左右；
5.被控對(duì)象以及待測(cè)試對(duì)象離主控室距離較遠(yuǎn)，且測(cè)量控制工作現(xiàn)場(chǎng)噪聲很大，環(huán)境惡劣。

    基于以上特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的ACM程控檢測(cè)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(hào)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(jì)算機(jī)、主控室計(jì)算機(jī)和閥門(mén)幾部分組成。前端測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取包括各種信號(hào)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(hào)經(jīng)施密特觸發(fā)器整型后直接送入FPGA進(jìn)行脈沖記數(shù)，通過(guò)8MHz時(shí)鐘采樣，完成檢測(cè)過(guò)程；模擬信號(hào)需通過(guò)A/D變換。嵌入式計(jì)算機(jī)通過(guò)PC/104接口訪問(wèn)雙口RAM，讀取采集數(shù)據(jù)和寫(xiě)入控制命令信息，并通過(guò)以太網(wǎng)接口與主控室的上位機(jī)進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)及控制命令信息的傳輸交互。

ACM程控測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式計(jì)算機(jī)SBC-C26

    完成數(shù)據(jù)傳輸前的預(yù)處理等功能由嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，它具有功耗低、可靠性高、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中采用的嵌入式PC為集智達(dá)公司的SBC-C26。

圖2 FPGA電路接口示意圖

    由于本系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高、數(shù)據(jù)交換量大，結(jié)合軟件與硬件的復(fù)雜度考慮，采用內(nèi)存直接影象的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換在PC/104進(jìn)行地址映射時(shí)，使用ADDR[0：19]作為地址線；/RE和/WE為存儲(chǔ)器讀寫(xiě)信號(hào)，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(chǔ)、傳輸控制以及接口控制于一個(gè)芯片內(nèi)，編程配置靈活而且比較容易移植，因此，本設(shè)計(jì)選用Altera的EP1K100QC208器件來(lái)完成。

    EP1K100QC208具有147個(gè)用戶I/O引腳，內(nèi)嵌RAM資源為49152Bit，可編程邏輯資源為4992個(gè)，可滿足設(shè)計(jì)需求。而且該器件兼容5V電平驅(qū)動(dòng)，輸出驅(qū)動(dòng)電平為3.3V，所以PC/104總線讀寫(xiě)控制信號(hào)可直接輸入FPGA而省去電平轉(zhuǎn)換芯片；對(duì)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(guò)控制74HC245的OE和DIR引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換；FPGA控制完成一次采集后，向嵌入式計(jì)算機(jī)發(fā)送的中斷信號(hào)通過(guò)TPS61032升壓DC-DC芯片連接到PC/104總線INT引腳，該芯片可實(shí)現(xiàn)3.3V到5V電平轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

    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(chǔ)電路設(shè)計(jì)，用FPGA內(nèi)嵌RAM資源設(shè)計(jì)成雙口RAM，以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)。FPGA完成一次采集后向嵌入式計(jì)算機(jī)發(fā)中斷信號(hào)，通知嵌入式計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)，且FPGA通過(guò)查詢主控室計(jì)算機(jī)發(fā)送給嵌入式計(jì)算機(jī)，再經(jīng)嵌入式計(jì)算機(jī)寫(xiě)入FPGA寄存器的命令字控制D/A轉(zhuǎn)換、啟動(dòng)和停止A/D采集以及控制雙口RAM的讀寫(xiě)時(shí)序。由于控制閥需要4~20mA電流驅(qū)動(dòng)，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(hào)需通過(guò)AD694芯片完成0~5V電壓到4~20mA電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)硬件電路接口關(guān)鍵設(shè)計(jì)如圖2所示。

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的FPGA實(shí)現(xiàn)

A/D采集控制及數(shù)據(jù)緩存電路設(shè)計(jì)

    讀寫(xiě)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(xiě)入雙口RAM。本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)14路模擬信號(hào)采集測(cè)量。FPGA通過(guò)發(fā)送寫(xiě)脈沖和寫(xiě)控制字完成控制啟動(dòng)和通道選擇， A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)INT有效后發(fā)送讀信號(hào)，完成檢測(cè)結(jié)果的讀入，不同通道的數(shù)據(jù)采集頻率控制可通過(guò)寫(xiě)入通道控制字來(lái)完成。當(dāng)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(guò)直接例化Quartus軟件中的宏模塊實(shí)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)線位寬為8位。

D/A轉(zhuǎn)換控制電路設(shè)計(jì)

    FPGA通過(guò)查詢命令寄存器值執(zhí)行相應(yīng)得D/A轉(zhuǎn)換，完成系統(tǒng)控制操作，得到相應(yīng)實(shí)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(shí)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(shè)計(jì)要求。該芯片數(shù)據(jù)接口為3線串行總線，轉(zhuǎn)換時(shí)在時(shí)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(guò)啟動(dòng)異步load控制信號(hào)完成D/A轉(zhuǎn)換功能。

PC/104總線接口設(shè)計(jì)

    PC/104總線接口設(shè)計(jì)實(shí)際上是按照PC/104總線時(shí)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(chǔ)器讀寫(xiě)時(shí)序進(jìn)行FPGA電路設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)證，完全能夠由SBC-C26經(jīng)該接口電路完成對(duì)FPGA內(nèi)部RAM或寄存器的正常讀寫(xiě)功能。該接口電路利用Verilog語(yǔ)言描述，經(jīng)由Synplify Pro 綜合得到RTL網(wǎng)表。
整個(gè)系統(tǒng)控制電路采用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)，共占用EP1K100器件近1000個(gè)邏輯單元，在精簡(jiǎn)系統(tǒng)硬件的同時(shí)，為系統(tǒng)功能的擴(kuò)展提供了較大的靈活性，是一種比較理想的程控測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)解決方案。

結(jié)語(yǔ)

    整個(gè)系統(tǒng)控制電路采用FPGA設(shè)計(jì)，精簡(jiǎn)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(dú)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(cè)量的可靠性和精度；使用以太網(wǎng)通信方式，有效解決了遠(yuǎn)距離測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。