基于以太網的多通道時序控制系統設計與實現*

白 華， 溫美思， 張 誠， 趙軍發， 李現國

(天津工業大學 電子與信息工程學院 天津市光電檢測技術與系統重點實驗室，天津 300387)

基于以太網的多通道時序控制系統設計與實現*

白 華， 溫美思， 張 誠， 趙軍發， 李現國

(天津工業大學電子與信息工程學院天津市光電檢測技術與系統重點實驗室，天津300387)

針對光電檢測系統對時序控制的多樣化需求，設計了基于以太網的多通道時序控制器。采用ARM+FPGA架構設計系統控制核心，提高時序信號精度的同時保證了系統的靈活性。利用可編程控制液晶顯示器設計用戶界面，使人機交互更加方便快捷?；贚abVIEW開發系統上位機軟件，上位機通過串口轉以太網模塊與下位機通信。實驗結果表明：控制器時間精度達到1 μs，時序信號運行周期可達24 h，并具有外部觸發功能和以太網遠程控制功能,可應用于有毒有害等危險環境，具有很高的實用價值。

多通道時序控制器； 以太網； 液晶顯示器； 上位機

0 引 言

光電檢測技術在軍事設備、航空航天、生物醫藥和環境保護等方面都有廣泛的應用。光電檢測系統[1]由光電傳感器、信號調理器、時序控制器和輸出環節四部分組成，其中時序控制是整個系統能夠協調工作的關鍵。在電路設計上，通常針對不同的實驗要求設計不同的時序控制電路[2～4],通用性差，設計和調試工作量大。目前，市場上開發了一些通用型的時序控制器，但是通道數量少、時間精度低(大多在毫秒級)，并且缺少針對有毒有害危險環境的遠程控制功能。

針對以上問題，本文開發了基于以太網的多通道時序控制器,共有8個時序輸出通道，可以并行輸出8路時序控制信號，時間精度達到1 μs，時序周期可達24 h。可通過觸摸屏輸入各通道時間參數，操作更加方便快捷,且帶有外部觸發功能和上位機遠程控制功能[5]。該控制器自成系統，可作為器件應用，能提供光電檢測系統所需的各種時序信號，為搭建光電檢測系統以及相關實驗帶來方便。

1 系統硬件總體設計

1.1 硬件系統的組成

多通道時序控制器由電源、液晶顯示器、上位機和多通道時序輸出終端4部分組成。其中多通道時序輸出終端硬件設計主要包括ARM+FPGA電路、復位電路、時鐘電路、串口電路、以太網電路、配置電路和時序輸出電路等。硬件系統組成如圖1所示。

1.2 電源電路設計

電源電路提供工作電壓為1.2，2.5，3.3，5 V。因此，設計將電源適配器輸入的12 V電壓通過MP2359電源芯片轉化為5 V，再分別通過AMS1117—3.3,AMS1117—2.5和AMS1117—1.2穩壓器將5 V電壓轉換為3.3，2.5，1.2 V。并通過瞬態抑制二極管為電源電路提供保護。

圖1 硬件系統組成

1.3 ARM+FPGA電路設計

多通道時序輸出終端設計主要采用ARM+FPGA架構[6～8]。ARM負責分析、處理用戶通過觸摸屏或者上位機輸入的時間參數，FPGA負責并行輸出多路時序信號和檢測外部觸發信號。ARM與FPGA之間通過數據總線相連，實現信息的傳遞功能。電路如圖2所示。

圖2 ARM與FPGA連接電路

ARM+FPGA電路設計選用了STM32F103ZET6型ARM芯片和EP3C16Q240C8N型FPGA芯片。STM32F103ZET6為基于ARM Cortex—M3核心的32 位微控制器，工作頻率高達72 MHz，滿足系統實時性要求。EP3C16Q240C8N芯片具有豐富的邏輯資源，系統頻率高達50 MHz，且穩定性高，符合多通道時序控制器的設計要求。

本文，由于用戶設置時間參數最大值為24 h，最小時間單位為1 s，故ARM最多需要將8個通道的時序參數轉換為17組40位二進制數據發送至FPGA。基于芯片引腳個數限制，采用分址輸入的方法。ARM通過8位數據線(PC0～PC7)將40位二進制數分成5組8位二進制數并行發送給 FPGA，FPGA通過識別7位地址線(PB8～PB14)上的數據將5組8位二進制數排序組成一個40位二進制數。為實現ARM與FPGA同步通信，通過使能線EN控制FPGA對ARM數據的讀取，僅當使能信號EN為高電平時，FPGA讀取數據線與地址線上收到的數據。ARM通過啟停控制線START，STOP和RST控制輸出信號的啟動和停止，通過觸發選擇線TRIC1和TRIC2控制兩個觸發信號的選通。

1.4 液晶顯示器

液晶顯示器選用一種包含LCD顯示屏、LCD控制器、觸摸屏、人機界面處理系統和通信接口于一體的智能顯示模組?？梢酝ㄟ^串口與外部控制單元連接，實現系統的人機交互界面。觸摸屏搭載了專用圖形操作系統GoUI，通過PC的可視化組態編輯軟件，無需專業圖形編程知識即可設計顯示界面，降低了開發難度。同時，在沒有硬件的情況下，通過PS—LCD軟件模擬器在PC上可以模擬實際界面運行效果，有效縮短了開發周期。

2 系統軟件設計

2.1 ARM軟件設計

ARM程序在Keil軟件平臺下采用C語言編程設計。可以自動配置以太網連接上位機，分析觸摸屏和上位機輸入的時間參數，將時間參數轉換為8位二進制數據分址發送至FPGA。程序流程如圖3所示。

圖3 ARM軟件流程

設計中多通道時序控制器有2種工作模式：觸摸屏單獨操作模式；基于以太網的上位機遠距離操作模式。系統上電后默認進入觸摸屏單獨操作模式，用戶進入開機界面后可以通過觸摸屏選擇是否開啟上位機遠程控制功能。當用戶開啟上位機遠程控制功能后， ARM接收到觸摸屏發送的“開啟以太網傳輸”命令，并調用以太網配置程序對以太網電路進行數據配置。配置成功后ARM會自動嘗試與上位機的連接，并檢測與上位機連接是否成功。若連接成功，ARM進入等待以太網數據輸入狀態，否則，ARM自動將失敗信息反饋到觸摸屏進行顯示，并再次進行連接。

2.2 FPGA[9]軟件設計

時鐘模塊將FPGA內部的50 MHz系統時鐘分頻為1 MHz的單位時鐘，使時間單位變為1 s，作為多通道時序控制器脈沖輸出的最小時間單位。當FPGA接收到“開始”信號后，開始接收ARM發送的時間參數。數據處理模塊將分址輸入的8位二進制數據轉換為17組40位二進制數據并存儲。同時，分析處理ARM指令中的啟動、停止信號、觸發模式選擇信號和外部觸發信號，使能比較輸出模塊。比較輸出模塊將17組40位二進制數據分配為8個通道時序信號的上升沿時間、下降沿時間、循環周期和循環次數，并開始循環計時。計時同時，比較輸出模塊將計時時間與上升沿和下降沿時間進行比較，準確無誤地按照時間參數并行輸出時序信號。程序流程如圖4所示。

圖4 FPGA程序流程

2.3 觸摸屏軟件設計

在Designer軟件平臺下采用JavaScript語言編程設計實現?？梢宰詣语@示、分析用戶數據并通過串口與下位機通信。觸摸屏工作流程如下：系統上電后默認8個通道全部禁止輸出，選擇禁止的通道會禁止數據輸入功能，參數輸入框變為灰色。用戶選擇啟用后，恢復參數輸入功能。用戶點擊“運行”按鈕，觸摸屏自動將所有數據處理成字符串的形式由串口發送至多通道時序輸出終端。

2.4 上位機軟件設計

上位機軟件在LabVIEW軟件平臺下采用G語言編程設計。上位機與多通道時序輸出終端之間通過以太網線連接，采用TCP/IP通信協議通信。

上位機軟件的以太網通信流程如下：上位機開始運行后，調用“打開TCP連接”節點打開TCP服務，建立與下位機的連接。無限循環使用“讀取TCP數據”節點，實時檢測由下位機發送的有效TCP數據，用于后期處理。當用戶通過上位機點擊發送按鈕后，調用“寫入TCP數據”節點，向下位機發送用戶指令。用戶選擇暫停使用上位機時，使用“關閉TCP連接”節點，斷開TCP連接。

3 實驗及結果

3.1 以太網通信測試

在LabVIEW軟件平臺下編寫的上位機程序可以實時顯示上位機發送和接收的數據。為了使測試結果更加直觀，本文使用串口助手代替觸摸屏作為多通道時序輸出終端的數據輸入端口進行通信測試。

首先采用交叉網線連接多通道時序控制器與上位機。在上位機設置相應參數，使用Ping指令測試網絡連接。確認網絡連接無誤后，使用串口助手發送任意字符串，上位機接收到相同的字符串，反之亦然。測試結果如圖5所示，可以看出，上位機和多通道時序輸出終端均可以準確接收彼此發送的數據。說明多通道時序輸出終端與上位機之間的以太網通信有效。

圖5 上位機通信有效性測試

3.2 時序輸出測試

為了檢驗多通道時序控制器的實際輸出精度和輸出穩定性，本文將實驗分為三組進行測試，每組設置不同的時間參數、循環次數以及觸發方式等。測試輸出波形如圖6所示。圖5實驗結果顯示：多通道時序控制器輸出時序的精度可達到1 s，8個通道可以并行輸出，且時序波形輸出準確無誤，可實現無限循環和1～100次可選循環，具有外部觸發功能，觸發響應延遲時間小于1 s。

圖6 不同時間參數設置及輸出波形

4 結 論

研制了一種基于以太網的多通道時序控制器。采用ARM+FPGA架構設計系統控制核心，實現多通道時序控制器的數據處理和時序輸出功能。采用PS—LCD設計控制界面，實現系統人機交互功能?；贚abVIEW開發上位機軟件，利用TCP/IP通信協議實現上位機與下位機的以太網通信，具有遠程控制功能。與傳統時序控制器相比，該控制器具有輸出信號時序靈活可調、時間精度高、時間范圍廣、通道數量多、觸發響應速度快、能夠遠程控制等優點，能夠提供光電檢測系統所需的各種時序信號，從而給光電檢測相關的實驗工作帶來方便?？刂破骺蓱糜谟卸居泻Φ任ｋU環境中，具有很高實用價值。

[1] 孫曉捷.一種生物超弱發光探測系統的設計與應用[J].天津師范大學學報:自然科學版,2010,30(3):41-44.

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[3] 樊琳琳,張建民,劉 鍇,等.生物超弱發光采集系統及控制電路設計[J].現代電子技術,2010,33(21):108-111.

[4] 孔德鴻,程明霄,張 亮,等.基于工業以太網的多組分智能測控平臺的設計[J].儀表技術與傳感器,2015(3):60-65.

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[6] 孫鑫明,苗長云,白 華.基于ARM和FPGA的高擴展性超聲檢測模塊設計與實現[J].電子技術應用,2012,38(10):26-29.

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[9] 何素梅,博錦良,吳海彬.LED隧道照明自動調光系統的設計[J].電子測量與儀器學報,2015,29(4):622-628.

Designandimplementationofmulti-channeltimingcontrolsystembasedonEthernet*

BAI Hua, WEN Mei-si, ZHANG Cheng, ZHAO Jun-fa, LI Xian-guo

(TianjinKeyLaboratoryofOptoelectronicDetectionTechnologyandSystem,SchoolofElectronicsandInformationEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

A multi-channel timing controller is designed to meet diverse needs of photoelectric detection systems for timing control.ARM and FPGA frame are used to design control core,which is beneficial to improve timing precision and at the same time assure flexibility of the system.A programmable smart LCD is used to design the user interface,making the human-system interactions more convenient and efficient.In addition,upper PC software can be used to communicate with the controller through a serial to Ethernet module,and the PC software is developed based on LabVIEW.Experimental results show that the controller has a good performance in timing precision of 1 μs,long operating cycle of 24 h,response to external triggers,and remote control based on Ethernet.Thus,the controller has a high application value,especially in the poisonous and harmful environments.

multi-channel timing controller; Ethernet; LCD; upper PC

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0083—03

TP 786

A

1000—9787(2017)11—0083—03

2016—10—08

國家自然科學基金資助項目(61201106，61307094)； 天津市應用基礎與前沿技術研究計劃項目(14JCQNJC01800)

白 華(1980-)，男，通訊作者,博士，副教授，從事光電檢測技術與信息系統的研究工作，E—mail:baihua2000@hotmail.com。

溫美思(1992-)，女，蒙族，碩士研究生，主要研究方向為光電檢測技術與信息系統，E—mail:806227787@qq.com。