0 引言

    隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，航天系統(tǒng),、武器裝備等領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)可靠性要求與日俱增^[1-3],。為保證嵌入式控制系統(tǒng)的可靠性，針對嵌入式控制系統(tǒng)的測試尤為重要,。針對系統(tǒng)重要的控制信號的檢測及分析,，直接關(guān)系到整個控制系統(tǒng)功能的正確性及安全性，同時在系統(tǒng)研究及生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用,，并且不同嵌入式控制系統(tǒng)的輸出信號的能力及狀態(tài)不同,。因此，時序信號監(jiān)測系統(tǒng)的小型化,、智能化,、通用化是亟待解決的重要課題。

    PC104是一種嵌入式計(jì)算機(jī)平臺，與PC兼容,，具有靈活的可擴(kuò)展性,，其尺寸小、功能強(qiáng)的特點(diǎn)非常適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用^[4,，5],。本文基于PC104架構(gòu)搭建了小型化的時序信號監(jiān)測系統(tǒng)，以運(yùn)放AD620實(shí)現(xiàn)外界時序信號的處理及轉(zhuǎn)化,，以國產(chǎn)BQV300 FPGA完成數(shù)字信號數(shù)據(jù)的采集,，通過ISA總線完成數(shù)據(jù)到主控設(shè)備的傳輸，使用國產(chǎn)SPARC V8處理器完成信號的解析處理,。時序信號監(jiān)測系統(tǒng)對外提供網(wǎng)絡(luò)通信模塊及異步串口通信模塊,。用戶可以根據(jù)需要，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與主機(jī)之間的通信,，最終在上位機(jī)軟件對各項(xiàng)時序信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測及處理,。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

    本文從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面闡述高低壓時序信號監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)構(gòu)架,。

1.1 硬件組成

    高低壓時序信號監(jiān)測系統(tǒng)可以進(jìn)行定制化組合,。主要由主控單元模塊、高低壓測量模塊,、電源模塊,、測試電纜等組成。高低壓時序測量模塊可隨意增減,，每個高低壓測量模塊可以20路信號測量,，以100路為例，硬件組成框架如圖1所示,。

    測量系統(tǒng)各個模塊采用標(biāo)準(zhǔn)PC104結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，通過ISA總線進(jìn)行主控計(jì)算機(jī)及高低壓時序采集模塊的信息通信，其功能可實(shí)現(xiàn)對電壓信號脈沖及恒流信號脈沖的測量,。

1.2 功能設(shè)計(jì)

1.2.1 主控模塊功能

    主控計(jì)算機(jī)模塊是整個時序監(jiān)測系統(tǒng)的對內(nèi)對外控制中心,。其主要由CPU、SDRAM,、ISA總線轉(zhuǎn)換,、Flash、以太網(wǎng),、擴(kuò)展UART,、PWM、總線驅(qū)動,、電源變換等9個功能子模塊組成,。

    主控計(jì)算機(jī)模塊是面向控制應(yīng)用，采用國產(chǎn)化SPARC V8處理器而研制的一種兼容PC/104規(guī)范的嵌入式計(jì)算機(jī)模塊,。該模塊采用國產(chǎn)SPARC-V8處理器BM3110,，支持VxWorks操作系統(tǒng)，對外提供交互支持,。設(shè)計(jì)采用PC104主從模式控制模式,，對內(nèi)與高低壓信號采集模塊進(jìn)行實(shí)時的數(shù)據(jù)傳輸，對外提供多元的交互通信通道,，供操作者獲取采樣數(shù)據(jù)信息,，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    主控模塊通過FPGA擴(kuò)展接口輸出,，支持PC104總線16/8位模式,，實(shí)現(xiàn)了128 MB SDRAM和256 MB Flash存儲器，3路RS232串行通信接口,，2路可冗余備份10 M/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口,。支持VxWorks操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了TFFS文件系統(tǒng),。在整個時序信號監(jiān)測系統(tǒng)起著信息數(shù)據(jù)承上啟下的作用,，是整個系統(tǒng)的核心模塊。

1.2.2 從設(shè)備模塊功能

    高低壓信號采集模塊是整個測試系統(tǒng)的功能機(jī)理實(shí)現(xiàn)模塊,，作為從設(shè)備實(shí)現(xiàn)20路模擬信號轉(zhuǎn)化采集測量功能,。本模塊由繼電器控制板卡測量模式轉(zhuǎn)化，通過運(yùn)放調(diào)理電路對信號進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換,，光耦隔離電路進(jìn)行信號隔離,，國產(chǎn)FPGA電路實(shí)現(xiàn)時序信號處理、存儲和傳輸,。

    限于空間,、體積的要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)兩塊板卡組成PC104高低壓時序測量模塊,，原理框圖如圖3所示,。模塊分為數(shù)字電路板卡及模擬電路板卡，兩塊板卡之間信號通過接插件連接,。模擬電路板卡主要為模擬電路,，核心器件包括繼電器、放大電路,、基準(zhǔn)電路,、比較器，主要功能為實(shí)現(xiàn)信號切換和處理功能,。數(shù)字電路板卡主要為數(shù)字電路,，核心器件為FPGA、光耦、電源模塊,，主要提供信號控制及與PC104主板通信接口功能,。

    模擬電路板卡在硬件上主要劃分為信號采集切換電路、信號處理電路及信號接口電路,。其中,，信號采集切換電路接收外部信號，可以根據(jù)數(shù)字電路板卡發(fā)送的信號完成高/低壓信號電路的切換,；信號調(diào)理電路,，包括信號運(yùn)放電路、基準(zhǔn)電路,、比較電路,，實(shí)現(xiàn)信號的過濾處理，轉(zhuǎn)換成符合數(shù)字電路要求的波形輸出,；信號接口電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路板卡與模擬電路板卡之間的信號通路,，獲得數(shù)字電路板卡電源模塊產(chǎn)生的供電信號，接收數(shù)字電路板卡傳輸過來的切換控制信號,，發(fā)送采集到的波形信號,。

    數(shù)字電路板卡硬件上主要劃分為電源模塊電路、FPGA相關(guān)電路,、隔離電路,、PC104總線接口電路和信號接口電路。電源模塊接收外部電源信號,，轉(zhuǎn)換成板卡各個模塊需要有效電源信號,，完成模擬電路板卡及數(shù)字電路板卡上器件的供電；隔離電路則完成模擬信號到數(shù)字信號的隔離工作,，供FPGA處理,；FPGA相關(guān)電路，完成FPGA周圍信號的輸入,、輸出,，F(xiàn)PGA則實(shí)現(xiàn)所有信號的處理解析；PC104總線接口模塊負(fù)責(zé)PC104總線信號的傳輸,，完成PC104高低壓時序板卡與PC104主控板卡之間的交互,，實(shí)現(xiàn)主控板卡對測量板卡的控制及波形信息的采集；信號接口電路功能同模擬電路上的信號接口電路,，負(fù)責(zé)電源信號,、控制信號、波形信號在兩個板卡之間的傳輸,。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

    信號監(jiān)控系統(tǒng)分為下位機(jī)軟件及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì),，通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,，完成整套監(jiān)控系統(tǒng)功能輸出。

1.3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    下位機(jī)采用VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)作為開發(fā)環(huán)境,，因此設(shè)計(jì)思路采用黑箱實(shí)現(xiàn)采集解析功能,，通過對外通信接口向上位機(jī)發(fā)送最終數(shù)據(jù)，盡量減少上位機(jī)的工作,。為了簡化功能,，采用模塊化設(shè)計(jì),，其主要由自檢功能模塊,、信號采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊,、數(shù)據(jù)交互模塊組成,。這樣不僅簡化了設(shè)計(jì)流程，同時增強(qiáng)軟件的健壯性^[6],。具體軟件流程如圖4所示,。

    下位機(jī)軟件上電啟動后首先對整個系統(tǒng)進(jìn)行自檢測試。若自檢失敗,，則發(fā)送自檢錯誤幀到上位機(jī)進(jìn)行報(bào)警,；若自檢正常，則進(jìn)行系統(tǒng)功能配置,，開始數(shù)據(jù)采集,；當(dāng)采集到有效數(shù)據(jù)時備份到文件系統(tǒng)，同時發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī),。

1.3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    上位機(jī)為用戶提供顯示界面,。根據(jù)通信接口獲取下位機(jī)采集處理后的測量數(shù)據(jù)幀信息，并且逐條解析,，根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議提取關(guān)鍵信息,，并實(shí)時顯示到顯示終端供用戶分析。同時,，上位機(jī)可以及時匯報(bào)時序監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)信息,，進(jìn)行實(shí)時預(yù)警。具體流程圖如圖5所示,。

1.3.3 交互協(xié)議設(shè)計(jì)

    由于下位機(jī)主控計(jì)算機(jī)模塊提供多種通信接口,，因此上位機(jī)可以根據(jù)實(shí)際硬件選擇。本設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)接口,，使用UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,。為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠，在UDP有效數(shù)據(jù)段增加可靠性設(shè)計(jì),。具體幀格式為：幀頭,、幀類型,、數(shù)據(jù)字段、校驗(yàn),、幀尾,。下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀到上位機(jī)后，有上位機(jī)軟件獲取到一條UDP數(shù)據(jù)后,，首先要檢查數(shù)據(jù)校驗(yàn)是否正確,，當(dāng)確定為一條有效幀后，根據(jù)幀類型判斷當(dāng)前幀數(shù)據(jù)內(nèi)容格式,，提取有效數(shù)據(jù)字段,，進(jìn)而做相應(yīng)的處理。

2 性能

    PC104的高低壓時序信號監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品成熟后,，本文分別對不同閾值參數(shù)的高壓信號及低壓信號進(jìn)行脈寬測試,，測試結(jié)果如表1、表2所示,。

    該產(chǎn)品恒壓信號測量閾值范圍在20 V~36 V,，測量精度在1%；恒流信號測量閾值在10 mA~200 mA,，測量精度可以控制在2%以內(nèi),，滿足大多數(shù)控制系統(tǒng)應(yīng)用信號要求。產(chǎn)品經(jīng)過一定量級的環(huán)境試驗(yàn)及壓力測試,，測量的穩(wěn)定性和一致性較高,。

3 結(jié)語

    本文提出一種基于PC104系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高低壓時序信號監(jiān)測系統(tǒng)，其具有可擴(kuò)展化,、小型化,、模塊化等特點(diǎn)。其硬件資源豐富,，支持多任務(wù)和VxWorks嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng),，速度快、精度高,、功能強(qiáng)大,，可以有效運(yùn)行采集信號處理算法，提高了系統(tǒng)的可靠性,。通過利用FPGA,、SOC等先進(jìn)電子元器件實(shí)現(xiàn)了較高的集成度，在保證實(shí)時性和可靠性的情況下,，有效地減少了系統(tǒng)功耗,，降低了成本。

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作者信息：

李  璟,，韓逸飛,，崔  靳，劉  薇,，楊校華

（北京微電子技術(shù)研究所,，北京100076)