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關于基于PC104的高低壓時序信號監測系統

電子設計 ? 來源:網絡整理 ? 作者:工程師吳畏 ? 2018-06-27 09:24 ? 次閱讀

0 引言

隨著現代科技的發展,航天系統、武器裝備等領域對系統可靠性要求與日俱增[1-3]。為保證嵌入式控制系統的可靠性,針對嵌入式控制系統的測試尤為重要。針對系統重要的控制信號檢測及分析,直接關系到整個控制系統功能的正確性及安全性,同時在系統研究及生產領域發揮著十分重要的作用,并且不同嵌入式控制系統的輸出信號的能力及狀態不同。因此,時序信號監測系統的小型化、智能化、通用化是亟待解決的重要課題。

PC104是一種嵌入式計算機平臺,與PC兼容,具有靈活的可擴展性,其尺寸小、功能強的特點非常適合嵌入式系統的應用[4,5]。本文基于PC104架構搭建了小型化的時序信號監測系統,以運放AD620實現外界時序信號的處理及轉化,以國產BQV300 FPGA完成數字信號數據的采集,通過ISA總線完成數據到主控設備的傳輸,使用國產SPARC V8處理器完成信號的解析處理。時序信號監測系統對外提供網絡通信模塊及異步串口通信模塊。用戶可以根據需要,實現數據與主機之間的通信,最終在上位機軟件對各項時序信號進行實時監測及處理。

1 系統整體設計

本文從硬件設計、軟件設計等方面闡述高低壓時序信號監測系統的整體設計構架。

1.1 硬件組成

高低壓時序信號監測系統可以進行定制化組合。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。

關于基于PC104的高低壓時序信號監測系統

測量系統各個模塊采用標準PC104結構設計,通過ISA總線進行主控計算機及高低壓時序采集模塊的信息通信,其功能可實現對電壓信號脈沖及恒流信號脈沖的測量。

1.2 功能設計

1.2.1 主控模塊功能

主控計算機模塊是整個時序監測系統的對內對外控制中心。其主要由CPU、SDRAM、ISA總線轉換、Flash、以太網、擴展UART、PWM、總線驅動、電源變換等9個功能子模塊組成。

主控計算機模塊是面向控制應用,采用國產化SPARC V8處理器而研制的一種兼容PC/104規范的嵌入式計算機模塊。該模塊采用國產SPARC-V8處理器BM3110,支持VxWorks操作系統,對外提供交互支持。設計采用PC104主從模式控制模式,對內與高低壓信號采集模塊進行實時的數據傳輸,對外提供多元的交互通信通道,供操作者獲取采樣數據信息,具體結構如圖2所示。

關于基于PC104的高低壓時序信號監測系統

主控模塊通過FPGA擴展接口輸出,支持PC104總線16/8位模式,實現了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自適應以太網接口。支持VxWorks操作系統,實現了TFFS文件系統。在整個時序信號監測系統起著信息數據承上啟下的作用,是整個系統的核心模塊。

1.2.2 從設備模塊功能

高低壓信號采集模塊是整個測試系統的功能機理實現模塊,作為從設備實現20路模擬信號轉化采集測量功能。本模塊由繼電器控制板卡測量模式轉化,通過運放調理電路對信號進行放大和轉換,光耦隔離電路進行信號隔離,國產FPGA電路實現時序信號處理、存儲和傳輸。

限于空間、體積的要求,設計實現兩塊板卡組成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、基準電路、比較器,主要功能為實現信號切換和處理功能。數字電路板卡主要為數字電路,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。

關于基于PC104的高低壓時序信號監測系統

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,可以根據數字電路板卡發送的信號完成高/低壓信號電路的切換;信號調理電路,包括信號運放電路、基準電路、比較電路,實現信號的過濾處理,轉換成符合數字電路要求的波形輸出;信號接口電路實現數字電路板卡與模擬電路板卡之間的信號通路,獲得數字電路板卡電源模塊產生的供電信號,接收數字電路板卡傳輸過來的切換控制信號,發送采集到的波形信號。

數字電路板卡硬件上主要劃分為電源模塊電路、FPGA相關電路、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字電路板卡上器件的供電;隔離電路則完成模擬信號到數字信號的隔離工作,供FPGA處理;FPGA相關電路,完成FPGA周圍信號的輸入、輸出,FPGA則實現所有信號的處理解析;PC104總線接口模塊負責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,實現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,負責電源信號、控制信號、波形信號在兩個板卡之間的傳輸。

1.3 軟件設計

信號監控系統分為下位機軟件及上位機軟件設計,通過數據傳輸協議進行數據交互,完成整套監控系統功能輸出。

1.3.1 下位機軟件設計

下位機采用VxWorks嵌入式操作系統作為開發環境,因此設計思路采用黑箱實現采集解析功能,通過對外通信接口向上位機發送最終數據,盡量減少上位機的工作。為了簡化功能,采用模塊化設計,其主要由自檢功能模塊、信號采集模塊、數據存儲模塊、數據交互模塊組成。這樣不僅簡化了設計流程,同時增強軟件的健壯性[6]。具體軟件流程如圖4所示。

關于基于PC104的高低壓時序信號監測系統

下位機軟件上電啟動后首先對整個系統進行自檢測試。若自檢失敗,則發送自檢錯誤幀到上位機進行報警;若自檢正常,則進行系統功能配置,開始數據采集;當采集到有效數據時備份到文件系統,同時發送數據到上位機。

1.3.2 上位機軟件設計

上位機為用戶提供顯示界面。根據通信接口獲取下位機采集處理后的測量數據幀信息,并且逐條解析,根據數據協議提取關鍵信息,并實時顯示到顯示終端供用戶分析。同時,上位機可以及時匯報時序監控系統狀態信息,進行實時預警。具體流程圖如圖5所示。

關于基于PC104的高低壓時序信號監測系統

1.3.3 交互協議設計

由于下位機主控計算機模塊提供多種通信接口,因此上位機可以根據實際硬件選擇。本設計采用網絡接口,使用UDP協議進行數據傳輸。為保證數據傳輸可靠,在UDP有效數據段增加可靠性設計。具體幀格式為:幀頭、幀類型、數據字段、校驗、幀尾。下位機發送數據幀到上位機后,有上位機軟件獲取到一條UDP數據后,首先要檢查數據校驗是否正確,當確定為一條有效幀后,根據幀類型判斷當前幀數據內容格式,提取有效數據字段,進而做相應的處理。

2 性能

PC104的高低壓時序信號監測系統產品成熟后,本文分別對不同閾值參數高壓信號及低壓信號進行脈寬測試,測試結果如表1、表2所示。

關于基于PC104的高低壓時序信號監測系統

關于基于PC104的高低壓時序信號監測系統

該產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,滿足大多數控制系統應用信號要求。產品經過一定量級的環境試驗及壓力測試,測量的穩定性和一致性較高。

3 結語

本文提出一種基于PC104系統結構設計的高低壓時序信號監測系統,其具有可擴展化、小型化、模塊化等特點。其硬件資源豐富,支持多任務和VxWorks嵌入式實時操作系統,速度快、精度高、功能強大,可以有效運行采集信號處理算法,提高了系統的可靠性。通過利用FPGA、SOC等先進電子元器件實現了較高的集成度,在保證實時性和可靠性的情況下,有效地減少了系統功耗,降低了成本。

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