全面剖析PC/104接口的ACM程控測試系統(tǒng)設計

本文基于PC/104接口實現(xiàn)了一種用于飛機附件維修的程控測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可控制模擬飛機附件工作所處的實際壓力、溫度等環(huán)境參數(shù)，并在該環(huán)境下對該附件的溫度、頻移等工作狀態(tài)參數(shù)進行現(xiàn)場測量，通過檢測結果確定飛機附件維修后的可靠性。采用FPGA來完成該程控測試系統(tǒng)的主要

引言

在對飛機附件進行維修時，可以通過模擬飛機時可能出現(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機工作環(huán)境。

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轉換芯片，F(xiàn)PGA、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(shù)字脈沖信號經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后直接送入FPGA進行脈沖計數(shù)，通過8M赫茲時鐘采樣，完成檢測過程；模擬信號需通過A/D變換，嵌入式計算器通過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

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。

由于本系統(tǒng)對實時性要求較高、數(shù)據(jù)交換量大，結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。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而省去電平轉換芯片，對于需要電平轉換的雙向數(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)目煽啃裕捎镁彌_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，F(xiàn)PGA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(shù)據(jù)，并由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AD694芯片完成0－5V電壓到4－20mA電流信號的轉換。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轉換以及將轉換結果寫入雙口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，可實現(xiàn)14路模擬信號采集測量，F(xiàn)PGA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(shù)據(jù)采集頻率控制可通過寫入通道控制字來完成，當讀入采集結果后就按低、高位字節(jié)順序?qū)懭腚p口RAM、雙口SAM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轉換控制電路設計

FPGA通過查詢命令寄存器值執(zhí)行相應的D/A轉換，完成系統(tǒng)控制操作，得到相應的模擬環(huán)境條件參數(shù)，由于需要8路D/A轉換，所以選用具有8通道的單片TLC5628實現(xiàn)，其數(shù)據(jù)轉換精度為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)轉換位，通過啟動異步load控制信號完成D/A轉換功能。

PC/104總線接口設計

PC/104總線接口設計實際上是按照PC104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轉換芯片模擬電源由線性穩(wěn)壓模塊單獨提供、D/A轉換芯片數(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。

編輯：jq