FPGA數字變換器控制電路設計攻略 —電路圖天天讀（102）

　　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?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/FPGA">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。

　　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。

　　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。

　　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M/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 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。

　　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。

　　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。

　　勤務(wù)信號發(fā)送模塊實(shí)現

　　計算機字信號和指令信號都有相應的勤務(wù)信號來(lái)滿(mǎn)足時(shí)序要求，一般勤務(wù)信號就是指幀、碼同步信號，對其他信號的產(chǎn)生和接收起到時(shí)序基準同步的作用。指令勤務(wù)信號的電路原理如圖5所示。計算機字勤務(wù)信號與其原理相同。根據系統的信號輸出要求，即幀、碼同步信號的幅值和電流驅動(dòng)能力的要求，采用非門(mén)芯片SN5405J 作為驅動(dòng)電路來(lái)滿(mǎn)足設計要求。

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　　數碼接收模塊實(shí)現測試系統需要接收經(jīng)變換器處理之后的信號，變換器以數碼方式回傳給測試系統，包括計算機數碼和指令數碼，兩者的接收原理相同。設計采用光耦隔離的方式對數碼信號進(jìn)行接收，其電路原理圖如圖6所示。

　　光電耦合器采用TI 公司的HCPL-2631，它具有電絕緣能力和抗干擾能力，并且能有效的抑制各種噪聲和尖峰脈沖干擾。它的兩個(gè)輸入端分別接收計算機字數碼和指令數碼，其中在光耦輸入端連接的二極管作用是用來(lái)防止信號反跳造成內部二極管燒壞。

　　指令信號發(fā)送模塊實(shí)現

　　指令信號是指一種斷開(kāi)或閉合的開(kāi)關(guān)量信號。此模塊的128路指令信號全部采用光耦繼電器來(lái)實(shí)現，依據參數要求選擇AQY210作為控制開(kāi)關(guān)的器件，它的特點(diǎn)是耐高壓，反應速度快，使用時(shí)間長(cháng)。其單路指令信號發(fā)送電路原理如圖7所示。

　　由由于指令信號的路數比較多，如果FPGA 的I/O 口輸出直接驅動(dòng)AQY210，勢必會(huì )增加FPGA 的功耗。因此采用三極管對FPGA 的輸出信號進(jìn)行電流放大來(lái)提高控制信號的驅動(dòng)能力。本設計采用NPN 型三極管3DK103，圖中3order1是FPGA 的輸出信號，其為‘0’時(shí)，三極管截止；其為‘1’時(shí)，三極管處于電流放大，流經(jīng)光繼電器發(fā)光管的電流13mA 足以使AQY210導通。

　　測試系統充分利用FPGA 強大的內部邏輯功能和與外圍硬件電路的設計，來(lái)達到系統的測試功能。通過(guò)測試系統和數字量變換器的聯(lián)試，驗證了系統各項的輸出，對數字量變換器的性能做出權衡性的檢測。
電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點(diǎn)評分析：

　　本文以FPGA 為控制核心，開(kāi)展數字量變換器測試系統設計， 系統通過(guò)USB 實(shí)現與計算機的通信，能夠產(chǎn)生計算機字信號及相應移位脈沖信號、勤務(wù)信號和128路指令信號，并能接收經(jīng)過(guò)數字量變換器變化后的計算機數碼和指令數碼信號，測試系統能夠完成對數字量變換器各項性能指標的測試。實(shí)驗表明，測試系統精度及可靠性高、實(shí)時(shí)性好，已經(jīng)成功應用于某遙測系統中。
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