摘 要:为了验证遥测系统中被测对象的功能可靠性,研制了一种基于PCI总线的数字量测试台,它用来模拟输出各种测试信号。数字量测试台的实现以FPGA为核心,分别实现了模拟测试信号源的输出和与PCI总线的通信。功能仿真和实际测量验证了设计的可行性。
关键词:FPGA;PCI;遥测系统
中图分类号:TD455.1文献标识码:A文章编号:1000-8136(2010)05-0004-03
遥测技术是指对被测对象的某些参数进行远距离测量,并传送到接受点的一种测量技术。遥测系统在大型核心飞行试验中是不可缺少的重要组成部分,遥测系统用于获取飞行试验中被测系统的工作状态参数和环境数据,为确定被测系统的性能或进行故障分析提供依据。数字量变换器作为遥测系统被测系统的核心,它的主要功能是控制接收被测系统各种飞行参数。数字量变换器的可靠性是影响遥测结果的核心环节,其精度关系到被测系统研制和实验过程中的实验数据可信度,其性能关系到实验的成败。如何准确、客观、高效地评价数字量遥测变换器的性能,是数字量变换器生产中的重要环节。
课题所研制的数字量变换器测试台用于数字量变换器的单机测试,可以广泛应用于被测系统研制、生产过程中数字量变换器的测试与控制。本测试装置属于自动测试系统(ATS)的范畴,它的使用,将改变数字量遥测变换器传统的手工测试方法,使其生产、应用中的测试实现自动化,必将提高数字量遥测变换器的生产水平和质量,增进遥测系统的联试水平,降低生产和试验成本。
1 系统的整体硬件电路设计
数字量测试台实现的模拟测试信号包括激光惯组脉冲、勤务信号、计算机字。数字量变换器测试台要实现课题任务中的所有功能,必须产生各个功能模块的控制信号,这个系统具有复杂的时序,设计中选用FPGA作为逻辑控制器就得到了很好的效果,同时FPGA的可编程逻辑特性能够简化硬件电路设计,提高系统的可靠性与稳定性。
FPGA具有小批量,低投入,高性能,高密度,开发周期短等诸多优点,使国内更多的工程师们乐于采用。由于不需要任何投片费用,也不需要建立任何生产线,因此,采用FPGA所需的投资远远低于ASIC的投资。据估计,引进一套先进的FPGA自顶向下设计工具所需费用还不到ASIC所需的1/10,而大力推广先进的FPGA设计方法,既可以降低诸多产业投资成本,也可培养自顶向下的设计人才,从而为将来国内ASIC产业的快速、健康发展打下坚实的基础[1][2]。硬件结构见图1。
1.1 核心控制部分
FPGA采用XILINX公司的XC2S200E,XC2S200E是低电压(3.3 V和1.8 V)供电,含有5 292个逻辑单元,高达150 000个门电路,它内部有丰富的门阵列资源,56 kbits的RAM缓冲器,通过在FPGA中编写硬件逻辑,来实现数字量指令的发送和信号。除此之外,数字量变换器测试台系统中,FPGA的另一功能是实现PCI总线和本地总线的通信功能。
1.2 数字量测试台的的通信方式
上位机与硬件电路的通信采用PCI总线的通信方式。PCI的含义为周边设备互连(Peripheral Computer Interconnect),是一种高带宽、即插即用(PnP)的总线协议,它被用来满足当今高性能PC机和工作站以及它们的高带宽应用。PCI数字卡中接口芯片选用的是PLX公司的PCI9054这一款芯片。该芯片是32位、33 MHz的通用PCI总线控制器专用芯片。它符合PCI总线规范2.2版,突发传输速率达到132 MB/S。PCI9054内部有6个可编程的FIFO,以实现零等待突发传输及局部总线和总线之间的异步操作。
本课题选用PCI9054的工作方式为C模式,数据传输模式为PCI Target(PCI从模式)。
2 FPGA内部系统各功能模块的实现
2.1 激光惯组脉冲信号
激光惯组脉冲信号输出为16路,分为单数路和偶数路,单数路和偶数路分别采用两个不同的信号源;脉冲信号的频率可以选定10 K~256 K,至少20分档,包括256 K这个频率;脉冲信号的个数可以按组发出,每组的个数可以预定,并不小于224。图2为激光惯组脉冲模拟源实现原理图。
片选译码模块:FPGA和PCI9054连接的数据总线宽度为16位,高8位数据作为各模块的片选译码信号,低8位数据作为模块中实现功能的有效数据。
频率大小模块:这个模块是实现惯组脉冲的频率范围选择,利用晶振源clk(2.048M)分频得到,定义惯组脉冲输出的频率大小为f(10 K≤f≤256 K),分频数为N,则8≤N=2.048 M/f≤204.8,上位机发送一个8位的二进制数(低8位数据),记为分频数,在写信号的边沿触发下写入模块寄存器中,换算成十进制数的范围为0～255,由上面换算可知可以实现10 K～256 K的任意分频,也就满足任务中10 K～256 K的20分档。但是,当分频数是小数时会存在微小误差,因此20分档频率尽可能取分频数是整数的脉冲通道模块:这个模块实现了惯组脉冲通道位的选择,低8位数据的每位控制一个通道,输出端与门相连,为‘1’时通道打开,为‘0’时通道关闭。
脉冲计数模块:这个模块主要实现对频率大小模块中输出的的脉冲频率进行计数。要求每路脉冲的个数不小于224,在设计中基数用32位,所以最多可以实现232个脉冲数。32位数据由低8位数据端分开4次输入脉冲计数模块中的32位寄存器,低位在前,高位在后,片选3-6为32位寄存器每8位的片选信号。
2.2 计算机字信号
输出3种模式的计算机字:一种是固定数码,即发送17个字节,为01、23、45、67、89、AB、CD、EF、0F、10、21、32、43、54、65、76、87;第二种是采用数字量变换器测试台输出的计算机字信号的第一路(特征码)可按规律变化,即136位计算机字当中最高的8位变化是在00H-FFH范围每帧加1;第三种是数字量变换器测试台按照00、33、55、FF的规律每10帧输出一种字形的计算机字,循环发出。图3为计算机字模块实现原理图。
时钟复制模块完成了遥测请求信号和移位脉冲的逻辑复制工作,使每个遥测请求信号和移位脉冲信号输入到一个8位移位寄存器;计算机字控制模块主要实现3种计算机字模式的切换,计算机字模式选择控制位为‘1’时代表计算机字模式切换使能,具体模式由数据端Din输入的低两位决定,Din(1∶0)=01时,为计算机字模式1;Din(1∶0)=11时,为计算机字模式2,Din(1∶0)=10时,为计算机字模式3,在遥测请求信号的边沿触发下,写入计算机模式;片选位为‘1’时,代表固定数据下载使能,依次写入136位数据。
2.3 勤务信号
勤务信号分为帧同步信号、路同步信号、码同步信号,上电后自动循环发出,用于数字量变换器数据的采集和传输,并且路同步信号作为计算机字移位脉冲信号。帧同步信号脉宽12.207 us,频率为40 Hz。路同步信号频率为20.48 KHz,占空比为50%。码同步信号频率为163.84 KHz,占空比为50%。帧、路、码同步信号在FPGA内具体实现方法见图4。
首先利用40M(0.025 us)的晶振244分频后得到周期为6.10 us的方波信号(fclk)(与码同步的有效时钟周期6.1035 us相比,在误差范围内)。设定count为13位的计数器,系统上电或复位后,计数器清零。Fclk作为count的自加计数时钟,当count自加到1000000000010(十进制数为4098)时清零,经历的时间t为25 ms(6.10us*4098),实现了一帧的时间。当count的低两位小于等于10时,帧同步信号(frame)置‘1’,否则置‘0’,则帧同步信号的脉宽为6.10us*2=12.20 us;当count的第4、3位为10时,使fclk赋值给码同步信号(code),其他情况为‘0’,码同步信号一个周期的计算公式为6.10 us*32=195.2;路同步信号(Rode)由计数器的第二位赋值得到,所以一个周期为6.10 us*8=48.8 us,实现了帧、路、码同步信号的输出。
3 结束语
本文根据测试系统要求,结合系统设计原则,将系统设计细化为各子功能模块,简化了系统设计,反应了层次化的设计思想,体现了模块化的设计原则,很好的完成了数字量变换器测试台的各功能模块,下面是对各功能模块的VHDL仿真结果。
Implementation of Multi-channel Data Acquisition System
Based on FPGA and UART Interface
Ma Xudong,Wang Wenjie
Abstract: To meet the need of rapid、distant、serial transmission and real-time storage for the received data, develop a multi-channel data acquisition system based on FPGA and UART Interface. Using FPGA we realize data acquisition module、selecting the channel of Analog Signal and parallel-to-serial converter withDigital Signal, and so on; And using RS-422 Interface realize long distance and serial transmission for Digital Signal.The function simulation results and actual measurement prove the correctness of the design.
Key words: FPGA;UART;acquisition system
