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标题 新型指令变换器测试系统设计
范文 高金转+李大全+张会新+熊继军



摘 要： 指令变换器是测试飞行器工作参数和各路信号的关键设备，故设计一种新型的测试指令变换器工作的系统。该系统采用FPGA为主控制芯片，设计了4个模块，其中综合模块解析转发命令与数据，与其他3个模块配合接收和输出测试所需信号，包括48路电压可调的直流量模拟信号，8路时统信号以及PCM数据。试验结果表明，该系统可靠性高，性能稳定。
关键词： 测试系统； FPGA； 模拟信号； 指令变换器
中图分类号： TN61?34； TP302 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）04?0140?03
Design of new test system for instruction convertor
GAO Jinzhuan1，2， LI Daquan3， ZHANG Huixin1，2， XIONG Jijun1，2
（1. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology of North University of China， Taiyuan 030051， China；
2. MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， Taiyuan 030051， China；
3. Beijing Institute of Astronautics System Engineering， Beijing 100076， China）
Abstract： The instruction converter is a key device to test the working parameters and each signal of the aircraft， so a new test system for the instruction converter was designed. The FPGA is taken as the main control chip of the system. Four modules in the system were designed. The synthesis module is used to analyze and transmit the instructions and data， and cooperated with other three modules to receive and export the signals needed in the test， which includes 48 DC analog signals with adjustable voltage， 8 timing signals and PCM data. The experimental results show that the system has high reliability and stable performance.
Keywords： test system； FPGA； analog signal； instruction convertor
0 引 言
为了保证航天航空项目的实用性与安全，飞行器的内部各系统的工作参数和飞行器的性能以及对其故障分析都需要可靠的遥测系统来测试[1]。指令变换器是遥测系统的重要设备之一，控制接收飞行器上的工作参数[2]，其工作状态的稳定与否和提供参数的错与对会严重影响到遥测数据的可靠程度，造成飞行器性能低下。因此对指令变换器设计一个严谨的、稳定的以检测其高效工作的测试系统是非常有必要的，也是飞行器研制过程中的一个重要环节。
21世纪最有决定意义的集成电路技术是FPGA，它也是电子设计领域的前沿技术。FPGA具有集成度高、逻辑资源丰富、设计灵活及应用范围广等特点[3]，所以本系统的设计选取XILINX公司的FPGA作为主控芯片，完成对指令变换器各个模块的准确测试，已成功应用于某航天项目中，并起到了关键性的作用。
1 系统原理设计
整个系统主要由4个模块组成，即综合模块、模拟信号模块、时统信号模块和数据收发模块，如图1所示。
该测试系统利用W5300网口实现工控机和系统硬件之间的通信。终端模块是接收工控机下发的命令，解析之后发给各模块，并且将各模块传来的数据与信号上传给工控机显示；模拟信号模块能够产生48路的电压可调的直流量模拟电压（24路-40～40 V可调直流模拟电压，24路0～33 V可调直流模拟电压）；时统信号模块接收8路时统信号，并将数据通过LED的亮灭来显示；数据收发模块则可以提供遥测系统副帧同步信号、命令字并接收指令变换器输出的PCM数据和移位脉冲信号。
2 主要硬件电路设计
2.1 综合模块设计
综合模块在该测试系统中实现的是路由的功能，其设计的关键是网口电路部分，为保证实现数据与工控机实时传输，选取WIZnet公司的硬件W5300芯片建立通信网口，其内部集成10 M/100 M以太网控制器，MAC和TCP/IP协议栈，使用方便，稳定可靠，工作时根据需求对其进行配置， OP_MODE[2：0]<=‘000，BIT16EN<=‘1，即选用16 b数据总线和全功能自动握手模式[4]。W5300的差分输出/输入信号线与网线之间接入隔离变
压器TI?6T芯片，既能提高稳定性和抗噪
性又能保护接口电路[5]，如图2所示。
2.2 模拟信号模块设计
在模拟信号模块设计中，产生48路模拟直流电压，其中24路为0～33 V，24路为-40～40 V。该电路设计的关键部分是数/模转换和电压放大部分，如图3所示，其中也给出了各部分电路的供电电路。利用功耗较低，性能较稳定的ADUM1400作为模拟信号和数字信号的隔离芯片。数/模转换芯片选用具有12 位分辨率的AD5628，滿量程输出5 V直流模拟电压，输出的0～5 V电压经下拉偏置电路（由LM236输出2.5 V基准电压，然后由放大范围为0～36 V的运放OPA4234下拉电压）输出-2.5～2.5 V电压，之后经过放大范围为±50 V的运放OPA454芯片将其放大到-40～40 V。0～33 V的电压是由数模转换芯片输出的电压经下拉偏置电路中的运放OPA4234跟随，增强其驱动能力，然后经过放大电路OPA4234放大输出。
2.3 数据收发模块设计
为提高系统数据传输的稳定性与正确性，数据收发模块采用4片SOT封装的RS 485/RS 422收发器MAX3062E芯片，该芯片具备一个驱动器和一个接收器，支持高达20 Mb/s传送速率，连接电路设计简单，使用方便。MAX3062E芯片体积小，功耗低，具有ESD保护和失效保护功能。其具体的管脚功能设置如图4所示。
数据收发模块实现了两路RS 422差分信号的接收和两路RS 422差分信号的发送，即接收来自指令变换器的移位脉冲信号与PCM数据流和发出的命令字信号55AA/5511与副帧同步信号。其电路设计如图5所示。由于差分的信号传输比单线传输更加稳定，传输距离也更远，抗干扰性强，在工程项目应用中更广泛。
2.4 时统信号模块设计
时统信号模块设计是采用4片双通道的光电耦合器HCPL_2631实现8路时统信号的接收，接收到的信号通过FPGA芯片解析，将其输给LED灯，由LED灯的亮灭来显示，连接电路如图6所示。光电耦合器HCPL_2631的传输速率可达10 MB/s，可靠性较高。
3 软件关键技术设计
3.1 通信协议设计
数据流在传输过程中可能会收到外界环境或者数据毛刺的影响，导致误触发，以至于收到无效数据，所以在制定通信协议的时候在数据包上加帧头和帧尾。故测试系统在接收数据时，先识别数据包的帧头，然后对数据进行接收上传。因此，数据通信采用HDLC传输协议，其具体信息格式如表1所示。为防止数据包中的有效数据中会出现帧头的标志，对帧开始与帧结束标志间所有比特序列进行连续5个“1”检测，如发现5个“1”，则在其后插入一个“0”，则在帧开始标志与帧结束标志之间不会出现连续6个“1”的比特序列，也不可能出现“7E”，确保HDLC帧结构完整性。测试系统接收时，有效检测到帧开始后，执行与发送端相反的操作，将比特序列中连续5个“1”之后的“0”去掉，恢复原始数据。
表1 HDLC传输协议的数据信息格式表
3.2 数据收发信号时序接口设计
为提高接收到的数据的可靠性以及数据传输的稳定性，测试系统每次发出请求命令55AA/5511之后，指令变换器接收到请求命令之后向测试系统发送数据流，而测试系统则会先判断数据的帧开始标记，然后开始接收数据。一个全帧周期是25 ms，码同步信号和移位脉冲信号的频率为2.64 MHz，命令字一个周期内发送59个55AA，1个5511，其具体的接收时序图如图7所示。
4 实验测试结果
为测试设计系统的实用性和可靠性，对系统进行自检。上传的原数据在工控机上显示如图8（a）所示，经软件保留数据中的1 B的有效数据之后数据如图8（b）所示。
分析图8中的一组数，例如：“7E7E7E7E 77 0001 7DF2E4 1F9F9F 80”，将帧开始标志之后的数转换为二进制为“01110111 0000000000000001 0111110111110010111
00100 000111111001111110011111 10000000”将连续有效数据中的5个1之后的0剔除掉，最后补0，之后数据为“01110111 0000000000000001 011111111110101110010
000 011111100111111001111110 00000000”，即“77 0001 7FEB90 7E7E7E 00”，只保留有效数据为“7F”，下一个有效数据显示为“80”，故数据正确且连续无错位，无遗漏。
5 结 语
设计的基于FPGA芯片的新型指令变换器测试系统，能够全面检测指令变换器的各项功能。经过对系统实验结果数据和波形的分析，该测试系统所产生的各路信号均正确、稳定，接收到的数据连续、完整，且工作时间长，抗干扰性强，无中断现象出现，即达到项目任务的各项性能技术指标要求。
参考文献
[1] 任伟，张彦军，李京蔓，等.基于FPGA的数字量变换器测试系统设计[J].计算机测量与控制，2013，21（1）：85?87.
[2] 袁伟涛，张斌珍，刘文怡.箭载遥测变换器测试台的设计与实现[J].电子技术应用，2008，34（2）：87?90.
[3] 陈立克，许存禄，辛遥，等.基于FPGA技术的液晶显示控制器设计[J].微电子学，2011，41（6）：852?855.
[4] WIZnet Co.， Inc. High?performance internet connectivity solution： W5300 [R]. Seoul： WIZnet Co.， Inc.， 2008.
[5] 李勛，刘文怡.基于FPGA的以太网接口设计与实现[J].自动化与仪表，2014，29（5）：57?60.
[6] 陈鹏名，卢振洋，刘嘉，等.基于FPGA的图像与模拟信号同步采集系统[J].现代电子技术，2015，38（19）：79?82.
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更新时间：2024/12/22 19:32:20