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    基于PC/104接口的ACM程控測試系統設計

    2006-07-19 控制工程

    摘 要:本文基于PC/104接口實現了一種用于飛機附件維修的程控測試系統,該系統通過控制模擬飛機附件工作所處的實際壓力、溫度等環境參數,并在該環境下對該附件的溫度、頻移等工作狀態參數進行現場測量,通過檢測結果確定飛機附件維修后的可靠性。通過FPGA來完成該程控測試系統的主要硬件電路設計,具有時序快、精簡系統硬件等優點。

    引言

           在對飛機附件進行維修時,可以通過模擬飛行時可能出現的不同情況的環境參數,預檢測附件的可能工作狀態,以期達到合格的維修要求。顯然,使用傳統的分散型單片機控制檢測儀表系統要消耗大量的人力物力,而且很難保證測試系統的精度,系統的可擴展性也較差。隨著數字信號處理技術和微電子技術的發展,在一個較小的系統里完成多路數據參數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據測量檢測系統,對各路參數進行分布式檢測,統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行工作環境。


    圖1 系統結構功能框圖

    程控測試系統的特點

           本系統通過控制換熱器8路閥門的不同開度組合來模擬待測附件的工作環境參數,在該模擬環境下完成各參數測量,得到檢測結果。測量參數的獲取通過溫度、壓力、位移等傳感器完成,本系統具有如下特點:

    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,測量時數據采集頻率不同;
    3.各檢測點具有較強的相關性;
    4.系統需要控制8路對象組合來實現不同環境參數的模擬,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,且測量控制工作現場噪聲很大,環境惡劣。

    基于以上特點,本文設計的ACM程控檢測系統如圖1所示。

           由圖1可知,系統主要由前端模擬信號調理電路、A/D數據采集和D/A轉換芯片、FPGA、嵌入式計算機、主控室計算機和閥門幾部分組成。前端測量數據的獲取包括各種信號傳感器和前置濾波整形處理電路。一路轉速傳感器數字脈沖信號經施密特觸發器整型后直接送入FPGA進行脈沖記數,通過8MHz時鐘采樣,完成檢測過程;模擬信號需通過A/D變換。嵌入式計算機通過PC/104接口訪問雙口RAM,讀取采集數據和寫入控制命令信息,并通過以太網接口與主控室的上位機進行檢測數據及控制命令信息的傳輸交互。

    ACM程控測試系統設計

    嵌入式計算機SBC-C26

           完成數據傳輸前的預處理等功能由嵌入式計算機實現,它具有功耗低、可靠性高、功能強大、性價比高等優點。本設計中采用的嵌入式PC為集智達公司的SBC-C26。

     


    圖2 FPGA電路接口示意圖

           由于本系統對實時性要求較高、數據交換量大,結合軟件與硬件的復雜度考慮,采用內存直接影象的方式進行數據交換在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]為雙向數據傳輸線。

    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,編程配置靈活而且比較容易移植,因此,本設計選用Altera的EP1K100QC208器件來完成。

           EP1K100QC208具有147個用戶I/O引腳,內嵌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電平驅動,輸出驅動電平為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據線,可用74HC245三態隔離芯片,通過控制74HC245的OE和DIR引腳來實現數據傳輸及驅動電平轉換;FPGA控制完成一次采集后,向嵌入式計算機發送的中斷信號通過TPS61032升壓DC-DC芯片連接到PC/104總線INT引腳,該芯片可實現3.3V到5V電平轉換。

    系統關鍵電路設計

           為了協調A/D采集、D/A控制與PC/104總線傳輸速度,保證數據傳輸的可靠性,采用緩沖存儲電路設計,用FPGA內嵌RAM資源設計成雙口RAM,以實現采集數據緩沖存儲。FPGA完成一次采集后向嵌入式計算機發中斷信號,通知嵌入式計算機讀取數據,且FPGA通過查詢主控室計算機發送給嵌入式計算機,再經嵌入式計算機寫入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。本系統硬件電路接口關鍵設計如圖2所示。

    系統電路設計的FPGA實現

    A/D采集控制及數據緩存電路設計

           讀寫控制電路的作用是產生合適的控制脈沖,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MAX1262,12位轉換精度,采用8通道單端模擬輸入方式,可實現14路模擬信號采集測量。FPGA通過發送寫脈沖和寫控制字完成控制啟動和通道選擇, A/D轉換結束狀態信號INT有效后發送讀信號,完成檢測結果的讀入,不同通道的數據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、高位字節順序寫入雙口RAM,雙口RAM通過直接例化Quartus軟件中的宏模塊實現,其數據線位寬為8位。

    D/A轉換控制電路設計

            FPGA通過查詢命令寄存器值執行相應得D/A轉換,完成系統控制操作,得到相應實現的模擬環境條件參數

    。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,其數據轉換精度為8位,0~5V模擬電壓輸出,可以滿足設計要求。該芯片數據接口為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數據轉換位,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PC/104總線時序完成地址譯碼鎖存和數據線的數據雙向傳輸功能。按照PC/104總線存儲器讀寫時序進行FPGA電路設計,經驗證,完全能夠由SBC-C26經該接口電路完成對FPGA內部RAM或寄存器的正常讀寫功能。該接口電路利用Verilog語言描述,經由Synplify Pro 綜合得到RTL網表。

           整個系統控制電路采用FPGA進行設計,共占用EP1K100器件近1000個邏輯單元,在精簡系統硬件的同時,為系統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硬件設計解決方案。

    結語

           整個系統控制電路采用FPGA設計,精簡了系統硬件,采取A/D轉換芯片模擬電源由線性穩壓模塊單獨提供、D/A轉換芯片數控端與FPGA經光耦隔離和印制板表面鋪銅等抗干擾措施,保證和提高了系統數據測量的可靠性和精度;使用以太網通信方式,有效解決了遠距離測量數據傳輸問題。




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