模塊化與通用化等效測試系統的設計*

余俊斌,嚴 帥,劉 欣,劉文怡*,高金轉

(1.中北大學電子測試技術重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;3.北京宇航系統工程研究所,北京 100076;4.北方自動控制技術研究所,太原 030006)

模塊化與通用化等效測試系統的設計*

余俊斌1,2,嚴 帥3,劉 欣4,劉文怡1,2*,高金轉1,2

(1.中北大學電子測試技術重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;3.北京宇航系統工程研究所,北京 100076;4.北方自動控制技術研究所,太原 030006)

針對目前外系統等效測試設備研發周期長,無法提高效率等問題,設計了一種模塊化、通用化的,能夠進行批量化與標準化生產的測試設備。系統以FPGA作為主控核心,以太網和RS422總線分別作為上位機與背板和板間通信接口,再輔以各種具體的功能化的板卡,實現了任務所要求的信號的輸出,經過測試,結果符合具體要求并且性能穩定。體現了模塊化與通用化思想在設備研發中的重要作用。現已成功應用于某航天測試系統中。

電子技術;模塊化;通用化;信號生成;等效器;W5300

火箭、導彈等設備在發射之前都會進行相關的測試測量試驗,并且試驗的參數種類之多、數據量之大。等效器設計的目的就是能夠模擬外系統向測試系統發送各種信號[1],例如:模擬量信號、數字量信號、交流量信號等。從而實現設備故障的快速定位,工作效率的提高以及測試系統可靠性得到了保障。

在當今復雜的國際環境之下,我國各種武器裝備種類愈來愈多,同時試驗頻率也愈發的加快。在這種趨勢之下,一種通用化、模塊化、研發周期短以及能夠標準化生產的等效器產品的設計研發與實現就顯得尤為重要。本文將對該等效器的整體設計理念、系統的硬件設計與軟件設計以及測試結果進行簡要的闡述與驗證。

1 系統整體設計

依據模塊化與通用化的指導思想,等效器按照功能實現的不同來分成不同的板卡,板卡間相互配合來完成測試任務,為了能夠模擬各種信號,等效測試設備分為多級形式,系統總體設計框圖如圖1所示。上位機通過軟件經以太網接口將命令或者數據發送給主背板,主背板通過FPGA芯片分析選擇將數據通過RS422接口發送給對應的功能板或者次級背板。若數據發往次級背板,次級背板中的FPGA芯片會分析收到的數據來發送給對應的功能板卡之中。最后,各功能板再將數據或者指令發送到測試系統。

圖1 系統總體設計框圖

本設計依據任務書要求,擬定模擬產生的信號有:可調節的直流電壓、正弦波與力矩電機交流信號、RS422/RS485控制指令信號、馬達電源信號、狀態脈沖信號以及轉速信號。

圖2 內部通訊RS422接口電路

2 系統硬件設計

2.1 通信接口電路設計

在上位機通信接口方面,常用的接口方式由PCI、USB以及以太網接口模式。其中PCI接口方案需由上位機、功能機箱組合而成,這樣會使得操作不便并且會加大空間、重量成本;USB接口方案則是由于在測試過程中因為接口松動導致數據丟失或死機的情況出現,可靠性無法得到保證。因此,本設計選用了WizNet公司的W5300芯片設計以太網作為網口通信,其優點在于傳輸快、穩定性與可靠性高。

W5300芯片集成了10/100M以太網控制器、MAC和TCP/IP協議棧[2],并依據任務書選擇16位數據總線來對芯片進行配置。同時,設置W5300為直接尋址模式,由FPGA來完成對其內部寄存器的定義,這些寄存器有:MR(模式寄存器)、COMMOM(通用寄存器)、SOCKET(端口寄存器)。

2.2 內部通訊接口電路設計

各個板卡之間通訊的設計采用了RS422接口,通過差分信號傳輸降低了外界的干擾并且傳輸速度快。為了增強主背板的擴展性,將RS422發送與接收通道擴展至16個。RS422信號收發芯片采用了DS26C31和DS26C32芯片,DS26C31作為發送端將TTL/CMOS電平轉化為差分信號傳送到接收端,接收芯片DS26C32再將差分信號轉化為TTL/CMOS電平后傳送到功能板卡的FPGA芯片中。每塊板卡由八片組成,電路圖如圖2所示。

2.3 模擬量板電路設計

模擬量板采用模塊化設計,由FPGA作為主控芯片,其最大可輸出48路獨立的可調直流信號。當模擬板通過RS422接口收到背板發送的命令之后,FPGA芯片會對其進行處理,經過數模隔離,控制數模轉換芯片AD5648產生直流信號,再經過對其下拉偏置、信號放大后得到所需直流電壓信號。硬件結構框圖如圖3所示。

圖3 模擬量板硬件結構框圖

圖4 力矩電機模塊電路

在設計時,為了避免收到的數字信號與輸出的模擬信號產生互相干擾,使用了數字隔離芯片ADUM1400來解決此問題。為實現輸出的直流信號的高精度、高可靠性,直流模擬量信號模塊采用了AD5648數模轉換芯片。

設備要求輸出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,誤差為±100 mV的直流模擬信號。所以為了滿足任務要求,還需對信號進行下拉偏置、放大,從而得到正負的電壓值。

2.4 交流量板電路設計

2.4.1 正弦波模塊

根據要求,設備需模擬外系統為被測設備提供三路獨立的正弦波,分別為:頻率2 kHz,幅值4 V;頻率4 kHz,幅值5.5 V;頻率8 kHz,幅值9 V。硬件振蕩電路和直接數字式頻率合成器DDS(Direct Digital Synthesizer)數字合成技術是產生正弦波信號的兩種方法[3]。本設計中采用AD558數模轉換芯片,由2位控制引腳和8位數據引腳組成。對VOUTSENSE和VOUTSELECT引腳使用不同的連接方式可以輸出0～2.56 V和0～10 V不同的電壓值,同時精度達±1/2 LSB[4]。

2.4.2 力矩電機模塊

根據要求,設備需要模擬產生幅值28 V,頻率17 kHz的4路力矩電機信號,10檔可調占空比。設計選用了L298N芯片,該芯片有4路邏輯驅動引腳和2路使能控制引腳,電路連接如圖4所示。ljdj_ZF+與ljdj_ZF-、ljdj_YF′+與ljdj_YF′-互為一對電機邏輯輸入控制引腳,高電平使能信號由EN A、EN B端引腳輸入,輸出端接入保護電阻和二極管是為了防止輸出電壓過載損壞器件L298N。

2.5 串行數字量板電路設計

該功能板實現的功能是輸出RS485、RS422以及帶電和不帶電控制指令。由于實現的信號路數多,為了產品的通用化與模塊化,此功能板由RS485模塊、RS422模塊以及指令開關模塊組成。

2.5.1 RS485模塊硬件電路設計

設計為了提高在惡劣環境下系統工作的可靠性,選用了抗雷擊RS485驅動芯片SN55LBC176,并且加入了高速光電耦合隔離器HCPL-0631芯片來優化電路的抗電磁干擾能力,同時輸入端加入極小電阻的發光二極管以減少尖峰脈沖和噪聲的干擾[5]。

2.5.2 RS422模塊硬件電路設計

如圖5所示,根據要求輸出3路RS422信號,設計中采用了DS26C31和DS26C32來實現數據的發送和接收。為了提高通用性的特點,在PCB布板的時候,設計同一電路可以分別使用發送驅動器或接收驅動器,通過選擇電阻焊盤來實現每個通道的邏輯電平信號端和422負端的轉換。

圖5 RS422收發電路設計

2.5.3 指令開關模塊硬件電路設計

指令開關信號由帶電指令開關信號和不帶電指令開關信號組成[6]。設計選用了AQY210光耦開關器件實現這一功能,帶電指令由等效器發出,模擬輸出指定的控制指令所需電壓;不帶電指令用于控制系統和執行儀器兩端電氣連接的開關。

3 系統軟件設計

3.1 W5300通信接口控制邏輯設計

W5300實現以太網通信主要有復位、初始化、數據接收和數據發送4個步驟[7]。FPGA對各個寄存器初始化和賦值的數據以十六進制的形式保存在ROM中,當系統上電以后,W5300收到FPGA發送的ROM中的代碼,進行初始化。初始化完成后,可通過W5300提供的自動ping響應功能驗證是否完成初始化。

圖6 使用ping命令檢驗W5300初始化成功

如圖6所示,通過計算機的DOS命令框中鍵入ping命令和計算機的IP地址驗證了初始化完成。

3.2 模擬量板邏輯設計

設計中使用了6個AD5648芯片,每個芯片能夠產生獨立的8路輸出,于是將48路一一編址。每次啟動AD5648時FPGA都通過輪詢的方式設置所有的48通道。AD5648的時序設計如圖7所示。當SYNC置低時,AD5648開始進行寫操作,串行數據輸入引腳DIN伴隨著每個時鐘SCLK的下降沿而被寫入移位寄存器中。當SCLK控制時鐘的第32個下降沿觸發時,DIN口輸入數據的最后一位被鎖存在寄存器中,通過更新DAC寄存器來執行信號的輸出[8-9]。當32位數據被全部寫入寄存器后以及下一次寫入指令到來之前,SYNC又重新被置高。

圖7 AD5648時序邏輯設計

3.3 力矩電機模塊時序邏輯設計

設計要求產生17 kHz方波力矩電機信號。系統設置當ENA使能開啟,IN1為高,IN2為低,輸出OUT1為高,OUT2為低以及在后端負載連接的情況下,電流方向為從OUT1到OUT2,以此方向電流所占整個變化時間周期的比例為10檔可調的系數。在FPGA的時序設計中采用的晶振為18.432 MHz,則輸出一個信號的完整周期需要1084次計數。假如輸出占空比為20%的力矩電機信號時,上位機首先計算(20/100)×1 084=217,并換算成16進制為00H,D9H。上位機將00H,D9H兩字節組合在命令幀結構中,打包下發給FPGA進行解析。FPGA在輸出力矩電機時開始計數,當計數到217時IN1與IN2信號翻轉,翻轉后的信號一直維持到第1 084次計數結束,從而完成一個信號周期內的操作。時序邏輯如圖8所示。

圖8 力矩電機時序邏輯設計

4 測試結果顯示

通過以太網將上位機與測試設備連接,將上位機IP地址設為192.168.0.3,主控板卡端IP地址為192.168.0.2。打開軟件連接網絡成功后,便可通過上位機軟件發送指令到等效測試系統中實現相應的功能。

任務要求產生4路28 V的力矩電機信號占空比分10檔可調。通過上位機軟件選擇下拉框中的值來輸出不同占空比,系統默認選擇輸出占空比為0.5。如圖9所示,左右兩圖為第1路和第2路信號輸出,占空比分別為0.5和0.2。

圖10所示為RS422發送測試結果,在上位機軟件選擇發送固定數模式,發送數值為AA,首先發送幀頭“55AA”,通過示波器所采集到的波形為串行二進制碼“0101010101 0010101011”。由于在RS422發送中會先發低位,再發高位,所以去除起始位和停止位,將高位和低位互換,其發送的二進制數據為“1010 1010 0101 0101”即十六進制表示為“55AA”。發送數據與測量值相同,發送正確。

圖9 力矩電機信號上位機界面及示波器結果

圖10 RS422信號

5 結束語

本文設計的等效器采用了模塊化、通用化的思想,極大地做到了滿足目前任務需求的前提下也可以為其他等效器的生產節省了寶貴的時間精力,擁有很強的拓展性。根據測試結果顯示,任務要求全部實現。現已成功應用于某航天測試項目之中。

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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

項目來源:國家自然科學基金項目(51275491)

2016-08-18修改日期2016-10-08

TP274

A

1005-9490(2017)05-1178-07

余俊斌(1992-),男,漢族,山西平定人,中北大學在讀博士,研究方向為微納傳感器件與測試技術,387768705@qq.com;

劉文怡(1970-),男,漢族,山西嵐縣人,中北大學儀器與電子學院碩士生導師,教授,研究方向為微納傳感與測試技術,liuwenyi@nuc.edu.cn。