對轉(zhuǎn)臺速率校準(zhǔn)卡SPI接口的開發(fā)和利用

引言

轉(zhuǎn)臺是檢測、校驗陀螺必不可少的設(shè)備。由于有不同種類、不同功用的陀螺，出現(xiàn)多種型號的轉(zhuǎn)臺。除了極少數(shù)的高精度轉(zhuǎn)臺（慣導(dǎo)級的）具有速率輸出校準(zhǔn)裝置，其余絕大多數(shù)是中低精度轉(zhuǎn)臺，都沒有速率輸出接口。鑒于陀螺的重要性，對轉(zhuǎn)臺的主要指標(biāo)速率進(jìn)行校準(zhǔn)是很有必要的。因為轉(zhuǎn)臺的總體存量很大，型號各異，所以研制一套通用的轉(zhuǎn)臺速率校準(zhǔn)裝置有著重大的意義。本課題采用高精度速率陀螺直接標(biāo)定中低精度轉(zhuǎn)臺的速率，配合計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行補償和擬合，可以簡便易行地實現(xiàn)對多種轉(zhuǎn)臺的速率校準(zhǔn)。用于轉(zhuǎn)臺速率較準(zhǔn)的測試原理如圖1。本文介紹的是轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn)裝置中的核心模塊轉(zhuǎn)臺速率校準(zhǔn)卡的設(shè)計。

圖1 轉(zhuǎn)臺速率校準(zhǔn)原理圖

1 整體設(shè)計

轉(zhuǎn)臺速率校準(zhǔn)卡的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。整個轉(zhuǎn)臺速率校準(zhǔn)卡主要由SPI接口電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)字隔離電路、無線傳輸電路和電平轉(zhuǎn)換電路幾部分組成。

SPI接口電路是由CPLD器件組成，負(fù)責(zé)PC104處理器與具有SPI總線的外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)采集和數(shù)字隔離電路，是由A/D轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓源和數(shù)字隔離模塊組成，負(fù)責(zé)將速率陀螺輸出的模擬信號通過高精度的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字隔離，隔離后的數(shù)據(jù)通過SPI接口送入主處理器。無線傳輸和電平轉(zhuǎn)換電路，是由無線傳輸模塊、電平轉(zhuǎn)換器以及電源模塊構(gòu)成，電路負(fù)責(zé)將送入內(nèi)存的高精度速率陀螺的數(shù)據(jù)，通過無線傳輸模塊的發(fā)射，傳送給地面的計算機(jī)，并運用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

圖2 轉(zhuǎn)臺速率校準(zhǔn)卡的結(jié)構(gòu)

2 SPI接口電路

2．1 基于CPLD器件的SPI設(shè)計結(jié)構(gòu)

在總線接口電路的設(shè)計中，采用了具備在系統(tǒng)可編程能力的復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD取代傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電路?；贑PLD設(shè)計的SPI接口其目的在于為PC104的處理器擴(kuò)展SPI接口的功能。能夠?qū)崿F(xiàn)PC104總線與SPI總線之間的通信。

為了滿足擴(kuò)展SPI接口功能，基于CPLD的SPI接口必須具有以下功能：①與PC104總線的接口功能；②多位外部從機(jī)選擇功能；③時鐘極性和相位選擇不同，有四種傳輸模式功能；④SPI數(shù)據(jù)傳送完成標(biāo)志。在SPI接口中，我們采用的芯片是EPM7128SLC-84，它的I/O接口被定義為SPI接口的控制線、數(shù)據(jù)線和地址線等。SPI接口的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。在我們設(shè)計的速率校準(zhǔn)卡的SPI接口中，狀態(tài)端RDY和片選端CS已經(jīng)夠用。如果外部有更多的SPI接口模塊，我們可以通過軟件的編程與設(shè)置，擴(kuò)展更多的狀態(tài)端RDY和片選端CS，并共用時鐘線和數(shù)據(jù)線，實現(xiàn)擴(kuò)展具有SPI接口的外部設(shè)備。

圖3 SPI接口的結(jié)構(gòu)框圖

2．2　軟件設(shè)計

PC104的處理器通過CPLD的SPI接口，實現(xiàn)了SPI接口的擴(kuò)展。其系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括兩部分。第一部分是SPI接口功能電路的VHDL語言軟件設(shè)計，該軟件設(shè)計是利用MAXplusⅡ開發(fā)的軟件平臺開發(fā)的。該軟件的編程是采用層次化設(shè)計的方法。頂層中包括兩大模塊，即：PC104接口模塊和SPI接口模塊。在PC104接口模塊中建立了接口中各寄存器的地址和構(gòu)造了各寄存器。在SPI接口模塊中又包括SPI控制模塊、SPI邏輯模塊、SPI移位接收模塊和SPI移位發(fā)送模塊等。第二部分是PC104處理器與SPI接口之間通信的軟件設(shè)計，在這一部分中，我們使用的CPU的主板是基于PC104總線的HXL/DX-440，由于它的基本配置相當(dāng)于486計算機(jī)的主板，因而可以很方便的使用DOS操作系統(tǒng)，利用C語言來實現(xiàn)對SPI接口中數(shù)據(jù)傳送完成位的檢測、對CPLD中各寄存器的讀寫操作以及對模數(shù)轉(zhuǎn)換器送入的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和處理。

3　數(shù)據(jù)采集與隔離電路

數(shù)據(jù)采集與隔離電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，其核心是AD7732和ADuM1401。AD7732是AD公司采用∑-⊿技術(shù)產(chǎn)生的24位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模擬輸入通道在AD7714的基礎(chǔ)上作了較大改進(jìn)，可用于高頻小信號的測量。ADuM1401是一種新的iCoupler數(shù)字隔離器，它采用平面磁場專利隔離技術(shù)實現(xiàn)隔離，該芯片能夠替代光電耦合器。其主要優(yōu)點在于：①不需要使用多個分立器件，僅用一個單芯片就實現(xiàn)了多通道數(shù)字隔離；②與現(xiàn)在普遍使用的光電耦合器相比，其印制電路板（PCB）面積縮小60％，功耗降低98％；③不需要驅(qū)動LED的外部電路；④具有比光電耦合器更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時序精度和瞬態(tài)共模抑制能力；⑤在同一芯片內(nèi)提供正向和反向通信通道。

AD780是高精度的參考電壓源，它為AD7732提供2.5V基準(zhǔn)電壓。陀螺輸出的模擬電壓接入AD7732的輸入端，通過A/D轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換，以SPI串行數(shù)據(jù)的格式輸出。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與A/D轉(zhuǎn)換器的精度，在A/D轉(zhuǎn)換器與SPI接口間加入了數(shù)字隔離器ADuM1401，試驗表明隔離器的加入能夠提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度以及對外界的抗干擾性。電路中用了兩片ADuM1401，是因為ADuM1401是兩入兩出的4通信通道隔離器，而我們設(shè)計的是對5個信號的數(shù)字隔離。

圖4　數(shù)據(jù)采集與隔離電路的結(jié)構(gòu)框圖

4 無線傳輸與電平轉(zhuǎn)換電路

無線傳輸與電平轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。其核心是nRF2401，它是無線收發(fā)一體芯片，都工作在2.4GHz自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻。nRF2401支持多點間通信，最高傳輸速率超過1Mbit/S。它采用SoC方法設(shè)計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。

nRF2401的電源電壓范圍為1.9～3.6V，利用主板上的+5V電源，通過MIC2937A將電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，為nRF2401提供電源電壓。我們利用的電平轉(zhuǎn)換器CD4504（TTL–CMOS或CMOS，–CMOS），是為了使系統(tǒng)的+5V的電平信號與無線傳輸?shù)?3.3V電平信號之間的轉(zhuǎn)換，以便使系統(tǒng)能夠與無線模塊間進(jìn)行通信。

5　結(jié)束語

開發(fā)的便攜式轉(zhuǎn)臺速率校準(zhǔn)卡能對中低精度轉(zhuǎn)臺的速率進(jìn)行標(biāo)定，并取得了良好的效果，解決了中低精度轉(zhuǎn)臺沒有校準(zhǔn)裝置的問題。同時通過使用CPLD對SPI接口的開發(fā)和利用，使我們學(xué)習(xí)到只要對本文所介紹的SPI接口的設(shè)計方法作適當(dāng)?shù)淖儞Q，就能用于哪些沒有SPI接口功能的處理器和控制器。從而能夠為那些沒有SPI接口功能的處理器和控制器擴(kuò)展SPI接口電路，來實現(xiàn)與具有SPI總線的外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。