模块化与通用化等效测试系统的设计*

余俊斌,严 帅,刘 欣,刘文怡*,高金转

(1.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;3.北京宇航系统工程研究所,北京 100076;4.北方自动控制技术研究所,太原 030006)

模块化与通用化等效测试系统的设计*

余俊斌1,2,严 帅3,刘 欣4,刘文怡1,2*,高金转1,2

(1.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;3.北京宇航系统工程研究所,北京 100076;4.北方自动控制技术研究所,太原 030006)

针对目前外系统等效测试设备研发周期长,无法提高效率等问题,设计了一种模块化、通用化的,能够进行批量化与标准化生产的测试设备。系统以FPGA作为主控核心,以太网和RS422总线分别作为上位机与背板和板间通信接口,再辅以各种具体的功能化的板卡,实现了任务所要求的信号的输出,经过测试,结果符合具体要求并且性能稳定。体现了模块化与通用化思想在设备研发中的重要作用。现已成功应用于某航天测试系统中。

电子技术;模块化;通用化;信号生成;等效器;W5300

火箭、导弹等设备在发射之前都会进行相关的测试测量试验,并且试验的参数种类之多、数据量之大。等效器设计的目的就是能够模拟外系统向测试系统发送各种信号[1],例如:模拟量信号、数字量信号、交流量信号等。从而实现设备故障的快速定位,工作效率的提高以及测试系统可靠性得到了保障。

在当今复杂的国际环境之下,我国各种武器装备种类愈来愈多,同时试验频率也愈发的加快。在这种趋势之下,一种通用化、模块化、研发周期短以及能够标准化生产的等效器产品的设计研发与实现就显得尤为重要。本文将对该等效器的整体设计理念、系统的硬件设计与软件设计以及测试结果进行简要的阐述与验证。

1 系统整体设计

依据模块化与通用化的指导思想,等效器按照功能实现的不同来分成不同的板卡,板卡间相互配合来完成测试任务,为了能够模拟各种信号,等效测试设备分为多级形式,系统总体设计框图如图1所示。上位机通过软件经以太网接口将命令或者数据发送给主背板,主背板通过FPGA芯片分析选择将数据通过RS422接口发送给对应的功能板或者次级背板。若数据发往次级背板,次级背板中的FPGA芯片会分析收到的数据来发送给对应的功能板卡之中。最后,各功能板再将数据或者指令发送到测试系统。

图1 系统总体设计框图

本设计依据任务书要求,拟定模拟产生的信号有:可调节的直流电压、正弦波与力矩电机交流信号、RS422/RS485控制指令信号、马达电源信号、状态脉冲信号以及转速信号。

图2 内部通讯RS422接口电路

2 系统硬件设计

2.1 通信接口电路设计

在上位机通信接口方面,常用的接口方式由PCI、USB以及以太网接口模式。其中PCI接口方案需由上位机、功能机箱组合而成,这样会使得操作不便并且会加大空间、重量成本;USB接口方案则是由于在测试过程中因为接口松动导致数据丢失或死机的情况出现,可靠性无法得到保证。因此,本设计选用了WizNet公司的W5300芯片设计以太网作为网口通信,其优点在于传输快、稳定性与可靠性高。

W5300芯片集成了10/100M以太网控制器、MAC和TCP/IP协议栈[2],并依据任务书选择16位数据总线来对芯片进行配置。同时,设置W5300为直接寻址模式,由FPGA来完成对其内部寄存器的定义,这些寄存器有:MR(模式寄存器)、COMMOM(通用寄存器)、SOCKET(端口寄存器)。

2.2 内部通讯接口电路设计

各个板卡之间通讯的设计采用了RS422接口,通过差分信号传输降低了外界的干扰并且传输速度快。为了增强主背板的扩展性,将RS422发送与接收通道扩展至16个。RS422信号收发芯片采用了DS26C31和DS26C32芯片,DS26C31作为发送端将TTL/CMOS电平转化为差分信号传送到接收端,接收芯片DS26C32再将差分信号转化为TTL/CMOS电平后传送到功能板卡的FPGA芯片中。每块板卡由八片组成,电路图如图2所示。

2.3 模拟量板电路设计

模拟量板采用模块化设计,由FPGA作为主控芯片,其最大可输出48路独立的可调直流信号。当模拟板通过RS422接口收到背板发送的命令之后,FPGA芯片会对其进行处理,经过数模隔离,控制数模转换芯片AD5648产生直流信号,再经过对其下拉偏置、信号放大后得到所需直流电压信号。硬件结构框图如图3所示。

图3 模拟量板硬件结构框图

图4 力矩电机模块电路

在设计时,为了避免收到的数字信号与输出的模拟信号产生互相干扰,使用了数字隔离芯片ADUM1400来解决此问题。为实现输出的直流信号的高精度、高可靠性,直流模拟量信号模块采用了AD5648数模转换芯片。

设备要求输出56路幅值-10 V～10 V、28路幅值-5 V～5 V、10路幅值-15 V～15 V、5路+28V、5路+33 V,误差为±100 mV的直流模拟信号。所以为了满足任务要求,还需对信号进行下拉偏置、放大,从而得到正负的电压值。

2.4 交流量板电路设计

2.4.1 正弦波模块

根据要求,设备需模拟外系统为被测设备提供三路独立的正弦波,分别为:频率2 kHz,幅值4 V;频率4 kHz,幅值5.5 V;频率8 kHz,幅值9 V。硬件振荡电路和直接数字式频率合成器DDS(Direct Digital Synthesizer)数字合成技术是产生正弦波信号的两种方法[3]。本设计中采用AD558数模转换芯片,由2位控制引脚和8位数据引脚组成。对VOUTSENSE和VOUTSELECT引脚使用不同的连接方式可以输出0～2.56 V和0～10 V不同的电压值,同时精度达±1/2 LSB[4]。

2.4.2 力矩电机模块

根据要求,设备需要模拟产生幅值28 V,频率17 kHz的4路力矩电机信号,10档可调占空比。设计选用了L298N芯片,该芯片有4路逻辑驱动引脚和2路使能控制引脚,电路连接如图4所示。ljdj_ZF+与ljdj_ZF-、ljdj_YF′+与ljdj_YF′-互为一对电机逻辑输入控制引脚,高电平使能信号由EN A、EN B端引脚输入,输出端接入保护电阻和二极管是为了防止输出电压过载损坏器件L298N。

2.5 串行数字量板电路设计

该功能板实现的功能是输出RS485、RS422以及带电和不带电控制指令。由于实现的信号路数多,为了产品的通用化与模块化,此功能板由RS485模块、RS422模块以及指令开关模块组成。

2.5.1 RS485模块硬件电路设计

设计为了提高在恶劣环境下系统工作的可靠性,选用了抗雷击RS485驱动芯片SN55LBC176,并且加入了高速光电耦合隔离器HCPL-0631芯片来优化电路的抗电磁干扰能力,同时输入端加入极小电阻的发光二极管以减少尖峰脉冲和噪声的干扰[5]。

2.5.2 RS422模块硬件电路设计

如图5所示,根据要求输出3路RS422信号,设计中采用了DS26C31和DS26C32来实现数据的发送和接收。为了提高通用性的特点,在PCB布板的时候,设计同一电路可以分别使用发送驱动器或接收驱动器,通过选择电阻焊盘来实现每个通道的逻辑电平信号端和422负端的转换。

图5 RS422收发电路设计

2.5.3 指令开关模块硬件电路设计

指令开关信号由带电指令开关信号和不带电指令开关信号组成[6]。设计选用了AQY210光耦开关器件实现这一功能,带电指令由等效器发出,模拟输出指定的控制指令所需电压;不带电指令用于控制系统和执行仪器两端电气连接的开关。

3 系统软件设计

3.1 W5300通信接口控制逻辑设计

W5300实现以太网通信主要有复位、初始化、数据接收和数据发送4个步骤[7]。FPGA对各个寄存器初始化和赋值的数据以十六进制的形式保存在ROM中,当系统上电以后,W5300收到FPGA发送的ROM中的代码,进行初始化。初始化完成后,可通过W5300提供的自动ping响应功能验证是否完成初始化。

图6 使用ping命令检验W5300初始化成功

如图6所示,通过计算机的DOS命令框中键入ping命令和计算机的IP地址验证了初始化完成。

3.2 模拟量板逻辑设计

设计中使用了6个AD5648芯片,每个芯片能够产生独立的8路输出,于是将48路一一编址。每次启动AD5648时FPGA都通过轮询的方式设置所有的48通道。AD5648的时序设计如图7所示。当SYNC置低时,AD5648开始进行写操作,串行数据输入引脚DIN伴随着每个时钟SCLK的下降沿而被写入移位寄存器中。当SCLK控制时钟的第32个下降沿触发时,DIN口输入数据的最后一位被锁存在寄存器中,通过更新DAC寄存器来执行信号的输出[8-9]。当32位数据被全部写入寄存器后以及下一次写入指令到来之前,SYNC又重新被置高。

图7 AD5648时序逻辑设计

3.3 力矩电机模块时序逻辑设计

设计要求产生17 kHz方波力矩电机信号。系统设置当ENA使能开启,IN1为高,IN2为低,输出OUT1为高,OUT2为低以及在后端负载连接的情况下,电流方向为从OUT1到OUT2,以此方向电流所占整个变化时间周期的比例为10档可调的系数。在FPGA的时序设计中采用的晶振为18.432 MHz,则输出一个信号的完整周期需要1084次计数。假如输出占空比为20%的力矩电机信号时,上位机首先计算(20/100)×1 084=217,并换算成16进制为00H,D9H。上位机将00H,D9H两字节组合在命令帧结构中,打包下发给FPGA进行解析。FPGA在输出力矩电机时开始计数,当计数到217时IN1与IN2信号翻转,翻转后的信号一直维持到第1 084次计数结束,从而完成一个信号周期内的操作。时序逻辑如图8所示。

图8 力矩电机时序逻辑设计

4 测试结果显示

通过以太网将上位机与测试设备连接,将上位机IP地址设为192.168.0.3,主控板卡端IP地址为192.168.0.2。打开软件连接网络成功后,便可通过上位机软件发送指令到等效测试系统中实现相应的功能。

任务要求产生4路28 V的力矩电机信号占空比分10档可调。通过上位机软件选择下拉框中的值来输出不同占空比,系统默认选择输出占空比为0.5。如图9所示,左右两图为第1路和第2路信号输出,占空比分别为0.5和0.2。

图10所示为RS422发送测试结果,在上位机软件选择发送固定数模式,发送数值为AA,首先发送帧头“55AA”,通过示波器所采集到的波形为串行二进制码“0101010101 0010101011”。由于在RS422发送中会先发低位,再发高位,所以去除起始位和停止位,将高位和低位互换,其发送的二进制数据为“1010 1010 0101 0101”即十六进制表示为“55AA”。发送数据与测量值相同,发送正确。

图9 力矩电机信号上位机界面及示波器结果

图10 RS422信号

5 结束语

本文设计的等效器采用了模块化、通用化的思想,极大地做到了满足目前任务需求的前提下也可以为其他等效器的生产节省了宝贵的时间精力,拥有很强的拓展性。根据测试结果显示,任务要求全部实现。现已成功应用于某航天测试项目之中。

[1] 张昊. 基于PCI总线的外系统等效器的设计与实现[D]. 太原:中北大学,2014.

[2] 李勋,刘文怡. 基于FPGA的以太网接口设计与实现[J]. 自动化与仪表,2014(5):57-60.

[3] 刘晨晖,任勇峰,李辉景,等. 基于FPGA的多接口PCM传输系统的设计[J]. 电子器件,2016,39(2):324-328.

[4] 贾玉臣,吴嗣亮. 正弦信号源直接数字合成的实现[J]. 北京理工大学学报,2005,25(9):815-818.

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[7] 张凤英,张会新,刘文怡. 基于W5300的多通道模拟信号源的设计与实现[J]. 计算机测量与控制,2014(12):4204-4206.

[8] 马睿,张会新,翟成瑞. 一种新型遥测模拟测试系统的设计与实现[J]. 电子器件,2015,38(1):160-165.

[9] 甄国涌,褚建平,刘东海. 通用型数据传输等效接口卡设计[J]. 电子器件,2016,39(4):856-860.

TheDesignofanEquivalentTestSystemforModularandUniversal*

YUJunbin1,2,YANShuai1,2,LIUXin4,LIUWenyi1,2*,GAOJinzhuan1,2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education,Taiyuan 030051,China;3.Beijing Institute of Astronautics System Engineering,Beijing 100076,China;4.CNGC Nonrth Automatic Control Technology Institute,Taiyuan 030006,China)

In view of the long development cycle of external system of equivalent device,and the improvement of the efficiency of the device,a modular and universal equivalent device is designed. System uses FPGA as the control core,RS422 bus and Ethernet respectively as communication interface between PC and the backplane and board,supplemented by a variety of specific functions of the board to achieve the output signal. After testing the results accord with the specific requirements. It reflects the important role of modularization and universal thought in the research and development of equipment. Now it has been successfully used in the test space craft systems.

electronic technique;modularization;universal;signal generation;equivalent device;W5300

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.025

项目来源:国家自然科学基金项目(51275491)

2016-08-18修改日期2016-10-08

TP274

A

1005-9490(2017)05-1178-07

余俊斌(1992-),男,汉族,山西平定人,中北大学在读博士,研究方向为微纳传感器件与测试技术,387768705@qq.com;

刘文怡(1970-),男,汉族,山西岚县人,中北大学仪器与电子学院硕士生导师,教授,研究方向为微纳传感与测试技术,liuwenyi@nuc.edu.cn。