基于XCR3256的水下沖擊波記錄儀的設(shè)計

1.引言

隨著大規(guī)模集成電路和單片機(jī)的迅速發(fā)展，復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）具有使用靈活、可靠性高、功能強(qiáng)大的優(yōu)點，在電子產(chǎn)品設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。CPLD可實現(xiàn)在系統(tǒng)編程，重復(fù)多次，而且還兼容IEEE1149.1(JTAG)標(biāo)準(zhǔn)的測試激勵端和邊界掃描能力，使用CPLD器件進(jìn)行開發(fā)，不僅可以提高系統(tǒng)的集成化程度、可靠性和可擴(kuò)充性，而且大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期。由于CPLD采用連續(xù)連接結(jié)構(gòu)，易于預(yù)測延時，從而使電路仿真更加準(zhǔn)確。CPLD是標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模集成電路產(chǎn)品，可用于各種數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計。近年來，隨著采用先進(jìn)的集成工藝和大批量生產(chǎn)，CPLD 器件成本不斷下降，集成密度、速度和性能都大幅度提高，這樣一個芯片就可以實現(xiàn)一個復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)；再加上使用方便的開發(fā)工具，給設(shè)計修改帶來很大方便。本文以Xilinx公司的CoolRunner系列CPLD芯片為例，實現(xiàn)對水下爆炸時沖擊波信號數(shù)據(jù)的記錄。

2　水下沖擊波記錄儀的組成及工作原理

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2.1　功能介紹

該水下沖擊波記錄儀電路主要用于測試水下爆炸時沖擊波的強(qiáng)弱,通過專用數(shù)據(jù)處理軟件它能夠?qū)Σ杉降臎_擊波信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形重現(xiàn), 并從波形上可讀出沖擊波的壓力峰值及其上升時間和作用時間。

2.2　體系結(jié)構(gòu)組成

水下沖擊波記錄儀由數(shù)據(jù)記錄器、接口、測試數(shù)據(jù)處理軟件三部分組成。數(shù)據(jù)記錄器是一個集壓力傳感器、瞬態(tài)波形記錄器、接口、電源等于一體的微型測試裝置，內(nèi)置電壓放大器，直流供電，輸入信號經(jīng)放大、高速A/D轉(zhuǎn)換后實現(xiàn)自動數(shù)字存儲。

2.3 工作原理

壓力傳感器的主要作用是敏感水下沖擊波的強(qiáng)弱，其輸出通過恒流源電路把沖擊壓力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。調(diào)理電路將信號轉(zhuǎn)換到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入范圍之后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其進(jìn)行采集，通過中心控制模塊對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號的幅值進(jìn)行判斷并對存儲器地址進(jìn)行初始化、遞推，數(shù)字信號即被存儲。讀數(shù)時計算機(jī)通過并口發(fā)出讀數(shù)時鐘及命令，對三路存儲器進(jìn)行路選、片選并將其中的數(shù)據(jù)讀出。

記錄儀觸發(fā)方案采用負(fù)延遲內(nèi)觸發(fā)：當(dāng)信號幅值大于或等于傳感器輸出滿量程的10%時啟動負(fù)延遲，而當(dāng)信號幅值小于此值時系統(tǒng)處于循環(huán)采集狀態(tài),從而可以有效地防止干擾引起的誤觸發(fā)與不觸發(fā)并準(zhǔn)確、完整地記錄整個沖擊波波形。水下沖擊波記錄儀的原理組成框圖見圖1。

圖1　水下沖擊波記錄儀工作原理圖

3　CPLD的應(yīng)用

在本設(shè)計中主要使用Xilinx公司開發(fā)的CoolRuner CPLD芯片完成設(shè)計。本文設(shè)計中所采用的是該系列中的XCR3256器件,可實現(xiàn)6000門的數(shù)字邏輯電路，內(nèi)嵌256個宏單元，支持4個全局時鐘，具有低功耗、可快速ISP、延時可預(yù)測等特點。我們選用XCR3256芯片實現(xiàn)水下沖擊波記錄儀主控模塊,該主控模塊用于對各外圍器件的控制，協(xié)調(diào)各外圍器件的工作。外圍器件主要有電源芯片組、靜態(tài)RAM存儲器、晶體振蕩器、A/D轉(zhuǎn)換器、LED、并口等。其中晶體振蕩器包括產(chǎn)生主時鐘的12MHz晶振和產(chǎn)生延時計數(shù)時鐘的1MHz晶振。主控模塊與各外圍器件的框圖如圖2所示。

圖2 水下沖擊波記錄儀主控模塊與各外圍器件電路原理框圖

3.1　靈活性強(qiáng)，開發(fā)周期短

圖2中A/D轉(zhuǎn)換器采用AD7470。它的啟動轉(zhuǎn)換輸入端CONVST由主時鐘分頻得到且采樣頻率可編程?？删幊萄訒r電路是通過一個四路撥碼開關(guān)對CPLD輸入不同的電平組合實現(xiàn)的，通過設(shè)定CPLD數(shù)字邏輯對產(chǎn)生延時計數(shù)時鐘的1MHz晶振計數(shù)，輸入不同的電平組合從而譯碼產(chǎn)生不同的延遲時間，而更改電平組合只需對記錄儀的面板操作即可。CPLD器件配以ISE開發(fā)系統(tǒng)可完成設(shè)計輸入、編譯、驗證及編程,設(shè)計校驗可進(jìn)行完整的模擬, 最壞情況下的定時分析和功能測試。設(shè)計人員無需編程器就可重構(gòu)數(shù)字系統(tǒng),具有“硬件軟做”的特點。3.2　功耗低,集成度高

圖2中電源管理電路中的電源芯片主要包括MAX1658、MAX1659和MAX1616，它們的共同點就是都有一個SHDN輸入端，當(dāng)SHDN端為低電平時，無論電壓輸入端輸入多大電壓，輸出電壓均為0V，而只有當(dāng)SHDN端為高電平，輸入端接入合適電壓時，輸出端才能產(chǎn)生相應(yīng)的電壓值供系統(tǒng)正常工作。由于裝置最終工作在水下，需要電池供電，這就要求電路必須低功耗。

記錄儀工作時共有5個狀態(tài)：低功耗延時設(shè)置待上電狀態(tài)、低功耗待觸發(fā)狀態(tài)、數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)、數(shù)據(jù)保持狀態(tài)、讀出數(shù)據(jù)狀態(tài)。狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是在中心控制模塊的控制之下完成的。系統(tǒng)自帶了一個數(shù)據(jù)保持電源，因此不用時系統(tǒng)處于數(shù)據(jù)保持狀態(tài)。主控模塊上電以后，通過四路撥碼開關(guān)設(shè)置延時時間，延時時間到了之后其它模塊自動上電，處于待觸發(fā)狀態(tài)，準(zhǔn)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。隨著觸發(fā)信號的到來，系統(tǒng)狀態(tài)被轉(zhuǎn)換至數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)，記錄完畢后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗數(shù)據(jù)保持狀態(tài)等待被回收。取回裝置后，讀數(shù)時系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為讀出數(shù)據(jù)狀態(tài)，讀數(shù)結(jié)束后系統(tǒng)又處于數(shù)據(jù)保持狀態(tài)，等待下一次記錄。這樣系統(tǒng)每記錄一次，其對應(yīng)的狀態(tài)就要循環(huán)一次。在系統(tǒng)工作的不同階段，我們可以通過CPLD內(nèi)部數(shù)字邏輯來控制各個電源芯片的SHDN輸入端，讓必須工作的芯片的SHDN輸入端置高，不需要工作的芯片的SHDN輸入端置低，從而實現(xiàn)了低功耗。

Xilinx器件的集成度范圍可達(dá)300～250000可用門,可以很容易地集成現(xiàn)有邏輯功能, 無論這些邏輯是由多個離散邏輯器件、多個PLD或是FPGA組成的,還是由幾個定制的器件組成的。在系統(tǒng)設(shè)計中,集成度提高意味著設(shè)備規(guī)模減小,元器件數(shù)量減小,而元器件數(shù)量減小就必然降低功耗,特別是嵌入式陣列塊(EAB)的使用,可以把存儲器集成到CPLD芯片中,特別有利于芯片上系統(tǒng)的設(shè)計,降低了系統(tǒng)的成本,設(shè)備功耗,而且能夠提高系統(tǒng)的性能和可靠性。

3.3　低成本，高可靠性

采用CPLD器件來進(jìn)行電路設(shè)計, 可以大幅度地減少印制板的面積、焊點和接插件, 降低裝配和調(diào)試費(fèi)用。大量的分立器件在進(jìn)行印制板電裝時, 往往會發(fā)生由于虛焊或接觸不良而造成故障, 并且這種故障常常難以發(fā)現(xiàn), 給調(diào)試和維修帶來極大的困難。因此, 采用CPLD 器件后, 由于集成度提高, 元器件數(shù)量減少, 印制板數(shù)量減少, 因而分機(jī)組合減少, 降低設(shè)備的綜合成本, 使得設(shè)備的可靠性大大提高。

4　設(shè)計過程

Xilinx公司的CPLD開發(fā)工具ISE，支持多種輸入方式，給設(shè)計開發(fā)提供了極大的方便，因此本系統(tǒng)采用ISE進(jìn)行設(shè)計。它可以便捷地完成設(shè)計輸入、編輯、與校驗工具連接,設(shè)計人員可以使用標(biāo)準(zhǔn)的EDA設(shè)計輸入工具來建立邏輯設(shè)計,使用ISE編譯器對XCR3256器件進(jìn)行編譯,其設(shè)計流程如圖3。

4.1　設(shè)計輸入

設(shè)計輸入方式有原理圖輸入,硬件描述(HDL)語言輸入,波形輸入等多種方式。記錄儀電路的各個功能塊: 單向總線緩沖器的產(chǎn)生, A/D時鐘信號、寫信號及片選信號的產(chǎn)生,地址發(fā)生器的產(chǎn)生，讀、寫命令及數(shù)據(jù)的傳輸控制，對讀數(shù)時鐘的消抖等都是采用硬件描述語言(VHDL)來實現(xiàn)的,最后采用原理圖輸入把各個功能塊連接在一起。采用語言描述的優(yōu)點是效率較高, 結(jié)果也較容易仿真, 信號觀察較方便。

4.2　設(shè)計處理

分別在設(shè)計文件中讀取信息并產(chǎn)生編程文件和仿真文件及自動錯誤定位, 設(shè)計規(guī)則檢查以及各器件劃分,編譯器還能實現(xiàn)用戶指定的定時要求,例如:傳播延時(tPD),時鐘頻率(f osc)等。

圖3　設(shè)計流程

4.3　設(shè)計仿真

當(dāng)設(shè)計完成后, 設(shè)計者可以通過仿真來驗證設(shè)計電路的特性是否和設(shè)計目的相一致, 這里是通過時序模擬來測試邏輯功能及器件最差情況下時間關(guān)系。通過仿真結(jié)果可以很直觀地觀察到結(jié)果是否符合設(shè)計要求。

4.4　器件編程

完成設(shè)計輸入和時序仿真操作后,最后一步就是對XCR3256器件進(jìn)行編程,用計算機(jī)通過Xilinx專用編程電纜進(jìn)行配置,編譯生成的配置文件經(jīng)計算機(jī)并行通信口接到Xilinx專用編程電纜上,再接到器件的編程接口,利用ISE開發(fā)系統(tǒng)提供的編程軟件即可對器件進(jìn)行配置。這種方法的優(yōu)點是配置方便、迅速,便于修改。這非常有利于電路的調(diào)試, 電路調(diào)試時經(jīng)常需要對電路設(shè)計劃分來逐步調(diào)試。通過更改設(shè)計,可以對器件重新編程, 容易完成電路調(diào)試。

5　結(jié)束語

本文中介紹的水下沖擊波記錄儀主要用于測試水下爆炸時產(chǎn)生的沖擊波的強(qiáng)弱, 采用CPLD器件進(jìn)行設(shè)計,大大提高了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性,提高了系統(tǒng)的可靠性和集成度,縮短了產(chǎn)品研制的周期,同時還可以降低設(shè)計成本,節(jié)省PCB板的面積和布線難度，提高了設(shè)備可靠性，得到了滿意的試驗結(jié)果。