基于FPGA的數字量變換器測試系統設計

0 引言

在飛行器發(fā)射試驗中，常用遙測系統獲取其內部各系統的工作狀態(tài)參數和環(huán)境數據，為評定飛行器的性能及故障分析提供依據。數字量變換器作為遙測系統彈上的重要設備，它的主要功能是控制接收彈上的各種飛行參數。變換器性能的優(yōu)劣將直接影響遙測結果，對飛行器研制和試驗過(guò)程中試驗數據的測試產(chǎn)生很大影響，將關(guān)系到飛行器試驗的成敗和以后飛行器性能的改進(jìn)和提高。在飛行器的研制過(guò)程中，多次試驗和考核是非常重要的。對數字量變換器做出準確、客觀(guān)、可靠地評價(jià)是其生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節，而這一環(huán)節只能由變換器測試系統來(lái)完成?？删幊踢壿嬈骷?FPGA)以其高速、可重構、設計靈活、開(kāi)發(fā)費用低、I/O引腳和內部資源豐富的等優(yōu)點(diǎn)，在近代測試系統中贏(yíng)得了越來(lái)越廣泛的應用。本文以FPGA為邏輯控制中心設計的測試系統，主要是對數字量變換器進(jìn)行單元測試，在其實(shí)際研制和調試過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。

1 系統總體設計

1.1 技術(shù)指標

(1)測試系統能夠在工作前對系統本身的各部分電路和通信接口進(jìn)行檢測，進(jìn)而確定測試系統是否能正常工作。

(2)能夠為數字量變換器提供25V、28V、31V三檔直流工作電壓，電流驅動(dòng)能力大于等于1A.

(3)能夠模擬彈上設備產(chǎn)生幅度為8~10V的計算機字信號及相應的移位脈沖信號;產(chǎn)生128路28V指令信號;產(chǎn)生所需的勤務(wù)信號(包括幀同步信號和碼同步信號);能夠接收經(jīng)變換器變換回傳的字長(cháng)為32位、幅度為5V的計算機字數碼和指令數碼信號，并在上位機上顯示。

1.2 系統結構和工作原理

系統設計時(shí)，采用模塊化設計的思想，按照技術(shù)指標設計各個(gè)功能模塊，通過(guò)各模塊之間的協(xié)調配合完成系統的測試任務(wù)。系統的整體結構框圖如圖1所示，整個(gè)系統由計算機、USB芯片FT245、兩片FPGA、輸出電源電壓控制模塊、計算機字信號發(fā)送模塊、勤務(wù)信號發(fā)送模塊、計算機字數碼與指令數碼接收模塊和指令信號發(fā)送模塊組成。模塊化設計能夠使在進(jìn)行系統調試和硬件編程時(shí)，簡(jiǎn)單、快速的定位并解決問(wèn)題。

測試系統通過(guò)USB芯片FT245實(shí)現硬件電路和上位機的通信，包括上位機給FPGA 控制命令的下發(fā)與數據的上傳。

硬件電路選用XILINX公司的XC3S200-208和XC2S100-208兩片FPGA 作為系統的邏輯控制中心，其中XC3S200-208作為主控芯片，主要實(shí)現對上位機的命令接收和判斷，進(jìn)而產(chǎn)生和發(fā)送計算機字信號，接收計算機字數碼和指令數碼并編幀、上傳數據至上位機;XC2S100-208作為從控制芯片，完成128路指令信號的發(fā)送;兩片FPGA 之間采用串行通信的方式發(fā)送控制命令來(lái)實(shí)現通訊。另外，通過(guò)上位機軟件可以實(shí)現向系統發(fā)送復位或停止命令，這樣能夠減少硬件的功耗并提高測試系統的工作效率。

2 系統各模塊功能實(shí)現

2.1 USB接口模塊實(shí)現

USB具有成本低、通用性好、連接簡(jiǎn)單、支持熱拔插等特點(diǎn)，而從系統實(shí)際的速率傳輸要求出發(fā)，設計采用通用USB接口芯片FT245BM 實(shí)現與上位機的通信。FT245BM 主要的功能是在內部邏輯的作用下實(shí)現數據串/并雙向轉換，它的最大傳輸速率可以達到1M/s.FT245BM 免去了復雜的固件編程及驅動(dòng)程序的編寫(xiě)，能夠簡(jiǎn)化USB的接口設計，為系統節省設計時(shí)間。

FT245BM 具體電路設計如圖2所示。

FT245BM 的8位數據線(xiàn)D7~D0、讀信號RD、寫(xiě)信號WR、發(fā)送使能TXE、接收數據完畢信號RXF與FPGA連接，來(lái)完成兩者的通信。計算機通過(guò)應用程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫的有效配合將控制命令信號發(fā)送到FT245BM,FPGA利用與之相連的I/O口接收下發(fā)的控制命令或是發(fā)送上傳的測試數據。

2.2 輸出電源電壓控制模塊實(shí)現

由于需要為被測數字量變換器提供3檔工作電壓25V、28V、31V,在電源模塊輸出端連接三種不同阻值的電阻，就可以實(shí)現3種電壓的切換，實(shí)現控制的電路如圖3所示。

圖中VCON+,VCON-為電源模塊的輸入電壓，R25、R26、R27三組電位器用來(lái)調節電阻。25VCON、31VCON分別與FPGA的I/O相連，是FPGA給出的控制信號，電路中三極管的作用是利用其電流放大來(lái)增加信號的驅動(dòng)能力。通過(guò)FPGA對控制命令的判斷來(lái)實(shí)現3檔電壓的控制。此外，系統的默認及復位的輸出電壓為28V.

2.3 計算機字信號發(fā)送模塊實(shí)現

由于要求計算機字和移位脈沖的幅值都為8~10V,所以電路中采用運算放大器電路對FPGA輸出的信號進(jìn)行放大來(lái)獲取所需幅值的信號。計算機字信號發(fā)送電路如圖4所示。

為了滿(mǎn)足輸出信號的精度和電流驅動(dòng)能力的要求，本模塊中采用AD公司的運放AD811來(lái)設計電路。此運算放大器是高速運放，采用雙電源供電，2500V/us是其最高轉換速率，具有較低的電流、電亞噪聲。設計中采用同相放大電壓串聯(lián)型負反饋電路，輸出電壓穩定并且反饋效果好。電路中R83的接地是為了盡量減小由于偏置電流引起的電壓失調，其阻值等于R22和R60的并聯(lián)阻值，為R22//R60=666Ω。