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(tǒng)的應用^[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)，以運放AD620實現(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)絡通信模塊及異步串口通信模塊。用戶可以根據(jù)需要，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(jiān)測及處理。

1 系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)的整體設計構(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)各個模塊采用標準PC104結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(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。

    主控計算機模塊是面向控制應用，采用國產(chǎn)化SPARC V8處理器而研制的一種兼容PC/104規(guī)范的嵌入式計算機模塊。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。設計采用PC104主從模式控制模式，對內(nèi)與高低壓信號采集模塊進行實時的數(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擴展接口輸出，支持PC104總線16/8位模式，實現(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自適應以太網(wǎng)接口。支持VxWorks操作系統(tǒng)，實現(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)的功能機理實現(xiàn)模塊，作為從設備實現(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，通過運放調(diào)理電路對信號進行放大和轉(zhuǎn)換，光耦隔離電路進行信號隔離，國產(chǎn)FPGA電路實現(xiàn)時序信號處理、存儲和傳輸。

    限于空間、體積的要求，設計實現(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、基準電路、比較器，主要功能為實現(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，包括信號運放電路、基準電路、比較電路，實現(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則實現(xiàn)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(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(jiān)控系統(tǒng)分為下位機軟件及上位機軟件設計，通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互，完成整套監(jiān)控系統(tǒng)功能輸出。

1.3.1 下位機軟件設計

    下位機采用VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)作為開發(fā)環(huán)境，因此設計思路采用黑箱實現(xiàn)采集解析功能，通過對外通信接口向上位機發(fā)送最終數(shù)據(jù)，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(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。

    下位機軟件上電啟動后首先對整個系統(tǒng)進行自檢測試。若自檢失敗，則發(fā)送自檢錯誤幀到上位機進行報警；若自檢正常，則進行系統(tǒng)功能配置，開始數(shù)據(jù)采集；當采集到有效數(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。

1.3.2 上位機軟件設計

    上位機為用戶提供顯示界面。根據(jù)通信接口獲取下位機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(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)信息，進行實時預警。具體流程圖如圖5所示。

1.3.3 交互協(xié)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(jù)實際硬件選擇。本設計采用網(wǎng)絡接口，使用UDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠，在UDP有效數(shù)據(jù)段增加可靠性設計。具體幀格式為：幀頭、幀類型、數(shù)據(jù)字段、校驗、幀尾。下位機發(fā)送數(shù)據(jù)幀到上位機后，有上位機軟件獲取到一條UDP數(shù)據(jù)后，首先要檢查數(shù)據(jù)校驗是否正確，當確定為一條有效幀后，根據(jù)幀類型判斷當前幀數(shù)據(jù)內(nèi)容格式，提取有效數(shù)據(jù)字段，進而做相應的處理。

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)應用信號要求。產(chǎn)品經(jīng)過一定量級的環(huán)境試驗及壓力測試，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)設計的高低壓時序信號監(jiān)測系統(tǒng)，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(tǒng)，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(tǒng)的可靠性。通過利用FPGA、SOC等先進電子元器件實現(xiàn)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(tǒng)功耗，降低了成本。

參考文獻

[1] 劉振興，張哲，尹相根，等．異步電動機的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)綜述．武漢科技大學學報，2000，24(3)：285－289．

[2] 劉振興，尹相根，張哲．鼠籠式異步電動機轉(zhuǎn)子故障檢測方法．電力自動化設備，2002，22(10)：9－12．

[3] JUNG J H，LEE J J，KWON B H．Online diagnosis of induction motorsusing MCSA[J]．IEEE Transactions on Induction Electronics，2006，53(6)：1842－1852．

[4] 陳勇，劉曉平，應懷樵.基于PC104的高性能便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2009（1）：213-215.

[5] 楊公勛，屈鵬宇.基于PC104工控機的嵌入式直流監(jiān)控裝置的設計[J].工礦自動化，2002（2）：25-27.

[6] 張蓉，鄧搪，王磊.基于PC104的時序控制系統(tǒng)設計[J].計算機工程，2011（1）：59-61.

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)