基于PC/104接口的ACM程控測試系統設計

在對飛機附件進(jìn)行維修時(shí)，可以通過(guò)模擬飛機時(shí)可能出現的不同情況的環(huán)境參數，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，使用傳統的分散型單片機控制檢測儀表系統要消耗大量的人力物力，而且很難保證測試系統的精度，系統的可擴展性也較差，隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，在一個(gè)較小的系統里完成多路參數的實(shí)時(shí)測量處理成為可能，因此，本文設計了一種分布式的數據測量檢測系統，對各路參數進(jìn)行分布式檢測，統一傳回主控室上位機進(jìn)行集中分析處理，同時(shí)上位機可以發(fā)出相應控制命令，通過(guò)控制多路閥門(mén)通道的開(kāi)度組合，得到模擬的待測附件的飛機工作環(huán)境。

程控測試系統的特點(diǎn)

本系統通過(guò)控制換熱器8路閥門(mén)的不同開(kāi)度組合來(lái)模擬待測附件的工作環(huán)境參數，在該模擬環(huán)境下完成各參數測量，得到檢測結果，測量參數的獲取通過(guò)溫度、壓力、位移等傳感器完成，本系統具有如下特點(diǎn)：

1、測量點(diǎn)為15路混合信號，即既有14路模擬信號，又有1路數字信號；

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(shí)數據采集頻率不同；

3、各檢測點(diǎn)具有較強的相關(guān)性；

4、系統需要控制8路對象組合來(lái)實(shí)現不同環(huán)境參數的模擬，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，且測量控制工作現場(chǎng)噪聲很大，環(huán)境惡劣。

基于以上特點(diǎn)，本文設計的ACM程控檢測系統如圖1所示。

由圖1可知，系統主要由前端模擬信號調理電路、A/D數據采集和D/A轉換芯片，FPGA、嵌入式計算機、主控室計算機和閥門(mén)幾部分組成，前端測量數據的獲取由各種信號傳感器和前置濾波整形處理電路完成，一路轉速傳感器數字脈沖信號經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后直接送入FPGA進(jìn)行脈沖計數，通過(guò)8M赫茲時(shí)鐘采樣，完成檢測過(guò)程；模擬信號需通過(guò)A/D變換，嵌入式計算器通過(guò)PC/104接口訪(fǎng)問(wèn)雙口RAM，讀取采集數據和寫(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進(jìn)行檢測數據及控制命令信息的傳輸交互。

ACM程控測試系統設計

嵌入式計算機SBC－C26

數據傳輸前的預處理等功能由嵌入式計算機實(shí)現，它具有功耗低、可靠性高、功能強大、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。本設計中采用的嵌入式PC為集智達公司的SBC－C26。

由于本系統對實(shí)時(shí)性要求較高、數據交換量大，結合軟件與硬件的復雜度考慮，采用內存直接影象的方式進(jìn)行數據交換，在PC/104進(jìn)行地址映射時(shí)，使用ADDR[0：19]作為地址線(xiàn)，/RE和/WE為存儲器讀寫(xiě)信號，DATA[7：0]為雙向數據傳輸線(xiàn)。

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(gè)芯片內，編程配置靈活而且比較容易移植，因此，本設計選用Altera的EP1K100QC208。EP1K100QC208具有147個(gè)用戶(hù)I/O引腳，內嵌RAM資源為49152bit，可編程邏輯資源為4992個(gè)，可滿(mǎn)足設計需求，而且該器件兼容5V電平驅動(dòng)，輸出驅動(dòng)電平為3.3V，所以PC/104總線(xiàn)讀寫(xiě)控制信號可直接輸入FPGA而省去電平轉換芯片，對于需要電平轉換的雙向數據線(xiàn)，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)現數據傳輸及驅動(dòng)電平轉換；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(guò)TPS61032升壓DC－DC芯片連接到PC/104總線(xiàn)INT引腳，該芯片可實(shí)現3.3V到5V電平轉換。

系統關(guān)鍵電路設計

為了協(xié)調A/D采集、D/A控制與PC/104總線(xiàn)傳輸速度，保證數據傳輸的可靠性，采用緩沖存儲電路設計，用FPGA內嵌RAM資源設計成雙口RAM，以實(shí)現采集數據緩沖存儲，FPGA完成一次采集后向嵌入式是計算機發(fā)中斷信號，通知嵌入式計算機讀取數據，并由FPGA通過(guò)查詢(xún)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(xiě)入FPGA寄存器的命令字控制D/A轉換，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電流驅動(dòng)，而D/A轉換芯片為0－5V電壓輸出，所以D/A轉換輸出控制信號需通過(guò)AD694芯片完成0－5V電壓到4－20mA電流信號的轉換。本系統硬件電路接口關(guān)鍵設計如圖2所示。

系統電路設計的FPGA實(shí)現

A/D采集控制及數據緩存電路設計

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轉換以及將轉換結果寫(xiě)入雙口RAM。本設計選用的A/D轉換芯片為2片MAX1262，具有12位轉換精度，采用8通道單端模擬輸入方式，可實(shí)現14路模擬信號采集測量，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轉換結束狀態(tài)信號INT有效后發(fā)送讀信號，完成檢測結果的讀入，不同通道的數據采集頻率控制可通過(guò)寫(xiě)入通道控制字來(lái)完成，當讀入采集結果后就按低、高位字節順序寫(xiě)入雙口RAM、雙口SAM通過(guò)直接例化Quartus軟件中的宏模塊實(shí)現，其數據線(xiàn)位寬為8位。

D/A轉換控制電路設計

FPGA通過(guò)查詢(xún)命令寄存器值執行相應的D/A轉換，完成系統控制操作，得到相應的模擬環(huán)境條件參數，由于需要8路D/A轉換，所以選用具有8通道的單片TLC5628實(shí)現，其數據轉換精度為8位，0－5V模擬電壓輸出，可以滿(mǎn)足設計要求，該芯片數據接口為3線(xiàn)串行總線(xiàn)，轉換時(shí)在時(shí)鐘下降沿串行輸入3bit通道選擇、1bit范圍控制、8bit數據轉換位，通過(guò)啟動(dòng)異步load控制信號完成D/A轉換功能。

PC/104總線(xiàn)接口設計

PC/104總線(xiàn)接口設計實(shí)際上是按照PC104總線(xiàn)時(shí)序完成地址譯碼鎖存和數據線(xiàn)的數據雙向傳輸功能，按照PC/104總線(xiàn)存儲器讀寫(xiě)時(shí)序進(jìn)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)系統控制電路采用FPGA進(jìn)行設計，共占用EP1K100器件近1000個(gè)邏輯單元，在精簡(jiǎn)系統硬件的同時(shí)，為系統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硬件設計解決方案。

結語(yǔ)

整個(gè)系統控制電路采用FPGA設計，精簡(jiǎn)了系統硬件，采取A/D轉換芯片模擬電源由線(xiàn)性穩壓模塊單獨提供、D/A轉換芯片數控端與FPGA經(jīng)光耦隔離和印制板表面鋪銅等抗干擾措施，保證和提高了系統數據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據傳輸問(wèn)題。