基于W5300的外系統(tǒng)等效器設計

鮑曉祺 ，杜文略 ，沈三民

（1.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.中北大學 電子測試技術重點實驗室，太原 030051）

在各型號導彈及飛行器正式投入工作之前，需要對其各項功能指標進行實驗測試，然而由于導彈、飛行器等一般造價昂貴，實驗過程中如果直接進行實彈發(fā)射或是飛行器升空來進行測試會造成巨大的損耗，而且會造成很多額外的人力資源及財力物力浪費。因此，本文設計了一種外系統(tǒng)等效器來模擬導彈及飛行器發(fā)射或升空時一些控制及狀態(tài)參數(shù)，以配合測試系統(tǒng)的其他部分進行聯(lián)試，達到預期的檢測效果。該等效器采用模塊化設計以增強其通用性、可靠性、智能性，而且出現(xiàn)問題后可以高效解決。

1 系統(tǒng)的總體結構

整個系統(tǒng)由背板、模擬信號板、狀態(tài)脈沖信號板、正弦信號板及馬達電源信號板5塊板卡組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構Fig.1 Overall structure of system

等效器系統(tǒng)利用以太網接口的UDP協(xié)議傳輸模式，實現(xiàn)上位機與硬件之間的網絡通信，背板接收上位機下發(fā)的指令，在FPGA解析命令并通過RS422接口轉發(fā)給各個功能模塊，同時背板與外部電源相連，為各個功能板供電；各個功能板都由RS422接口模塊、FPGA控制模塊、信號產生模塊組成，RS422接口電路在FPGA的時序控制下接收背板的命令并通過外圍信號產生電路產生相應的信號[1-2]。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 W5300以太網接口電路設計

傳統(tǒng)的等效器多采用USB或PCI接口實現(xiàn)工控主機與等效器系統(tǒng)的通信，USB接口容易掉線而PCI受計算機插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴展性差。因此本系統(tǒng)選用WizNet公司的W5300設計以太網接口與主機通信。此芯片集介質訪問控制管理、物理層控制、固件通信協(xié)議于一體，大大簡化接口設計工作，提高設計效率。

設計中W5300采用直接尋址模式，F(xiàn)PGA將W5300配置成接收模塊，直接尋址模式下，F(xiàn)PGA通過地址總線可以訪問W5300的內部寄存器。以太網與FPGA連接如圖2所示。

圖2 W5300接口框圖Fig.2 W5300 interface diagram

設計中BIT16EN為高電平，設置為16位數(shù)據總線；TEST_MODE[3：0]和OP_MODE[3：0]引腳接地，配置為全功能自動握手工作模式；W5300與RJ45之間接入隔離變壓器，既能提高穩(wěn)定性和抗噪性又能保護接口電路[3-4]。

2.2 正弦交流信號源電路設計

本系統(tǒng)要求產生3路幅值不同頻率不同的正弦信號，采用AD558作為D/A轉換芯片，再加上AD824和一些電阻電容構成信號調理電路及RC有源低通濾波器，通過VHDL編寫程序，分時讀出FPGA內部ROM中提前寫入的256個采樣點，即可產生相應幅值、頻率的正弦交流信號，電路如圖3所示。REF0205可以產生5 V參考電壓，AD558通過不同的連接方式可以將其輸出電壓范圍調節(jié)在0～2.56 V或0～10 V，本設計采用后者的接法。

2.3 模擬量信號源電路設計

在模擬量信號源模塊中，主要包括D/A轉換器、模擬開關和調理電路的設計，本模塊主要功能是FPGA輸出12位數(shù)字量，經由AD7945進行數(shù)模轉換、再經AD827放大、通過ADG506模擬開關選擇通道，再經過OPA4234放大或跟隨，輸出-10 V～10 V，-5 V～5 V，0～5 V之間的直流量輸出。對于可調不同電壓值的直流量信號，用D/A轉換器產生小幅度電壓，然后經過信號調理電路調理后產生所需要的電壓值，是最優(yōu)先的選擇。對于27路的直流信號，因為每一路直流信號的變化較緩慢，每一路直流信號單獨輸出，不太現(xiàn)實，而且成本會很高，因此本系統(tǒng)設計時用模擬開關分時切換來輸出27路信號，這樣27路模擬直流信號僅僅需要一片D/A轉換電路就可實現(xiàn)。模擬信號產生電路如圖4所示。

圖3 正弦交流信號電路圖Fig.3 Sinusoidal ac signal circuit diagram

圖4 模擬信號產生電路Fig.4 Analog signal circuit

2.4 狀態(tài)脈沖信號電路設計

本系統(tǒng)利用三極管的開關作用及光耦芯片AQY210在FPGA的時序控制下，接收上位機命令，產生28 V、35 V的17路狀態(tài)信號及1 s、500 ms、200 ms的15路脈沖信號。具體電路如圖5所示。FPGA解析命令控制管腳輸出0或1，與三極管DD1端相連。當DD1為高電平，三極管導通，處于飽和狀態(tài)，電流流過AQY210的1、2管腳，使光耦導通，4管腳即可輸出3管腳所接的電壓；當DD1為低電平，則三極管處于截止狀態(tài)，光耦不能導通，由此產生28 V、35 V的狀態(tài)信號。通過FPGA控制導通時間即可產生1 s、500 ms、200 ms的脈沖信號。

圖5 狀態(tài)脈沖信號產生電路Fig.5 State pulse signal circuit

2.5 馬達電源信號電路設計

任務要求本系統(tǒng)可以產生馬達電源信號以驅動測量系統(tǒng)的馬達正常工作。該信號為正負對稱的大功率方波信號，因此在AD827進行一級放大之后，采用REF0205產生5 V偏置電壓，再利用滑動變阻器微調，使其產生正負對稱的方波信號。由于所需馬達信號功率較大，采用大功率且散熱較好的運放芯片OPA548再次進行放大，最終產生功率與電壓符合標準的馬達信號源，電路圖如圖6所示。

圖6 馬達電源信號電路Fig.6 Motor power supply circuits

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 總體邏輯設計

整體的程序邏輯圖如圖7所示。

圖7 整體邏輯設計流程圖Fig.7 Overall logical design flow chart

先對系統(tǒng)進行上電復位，待系統(tǒng)中的各個芯片都完成復位后，W5300完成初始化，當上位機軟件發(fā)送命令時，該系統(tǒng)接收命令然后按照通信協(xié)議將數(shù)據存儲到以太網接口卡的FPGA內部寄存器中，然后通過RS422接口發(fā)送給各個功能版的RS422接口。然后，功能板的RS422接口接收數(shù)據經FPGA處理后，統(tǒng)一調度，解析命令并下發(fā)，在命令中應該包括4種信號源的信息，然后輸出各種信號源[5-6]。

3.2 W5300控制邏輯設計

以 W5300實現(xiàn)以太網主要包括復位、初始化、數(shù)據接收、數(shù)據發(fā)送4個模塊，可以基于FPGA用VHDL語言對W5300的工作方式進行狀態(tài)設置，W5300邏輯控制流程如圖8所示。

圖8 W5300邏輯控制流程圖Fig.8 W5300 logic control flow chart

W5300在工作之前需要進行上電復位，且復位信號RESET至少要保持2 μs的低電平，然后變?yōu)楦唠娖剑却辽?0 ms使得W5300內部鎖相環(huán)穩(wěn)定后，再進行W5300初始化等操作。初始化W5300就是將相應的參數(shù)按照寫時序要求寫入寄存器即可，初始化分3個步驟：主機接口設置、網絡信息設置和內部TX／RX存儲器的分配。在設置主機接口時，模式寄存器MR保持默認值0xB800，這樣W5300便工作在16位總線寬度的直接訪問模式；中斷屏蔽寄存器IMR寫入0xFF，不屏蔽任何中斷。為了實現(xiàn)以太網傳輸協(xié)議，F(xiàn)PGA在程序中必須對SOCKET進行初始化，本系統(tǒng)中選擇SOCKET0，通過Sn_MR（P3：P0）設置協(xié)議類型和Sn_PORTR設置本機端口。然后執(zhí)行開始OPEN命令。執(zhí)行OPEN命令后，如果SOCKET的狀態(tài)改變?yōu)镾OCK_UDP，則完成SOCKET的初始化。

4 系統(tǒng)試驗結果與分析

本系統(tǒng)上位機軟件采用VB編寫，當上位機設定好所發(fā)信號類型、路數(shù)、占空比、頻率、振幅等參數(shù)，處理程序根據所設參數(shù)組合成標準命令幀，然后按照協(xié)定好的統(tǒng)一的通信協(xié)議，通過以太網接口下發(fā)，背板接收并解析命令后再通過RS422接口轉發(fā)給各個功能版，功能版再次解析命令，并控制功能版信號產生模塊產生相應的信號。

僅以產生一個4 V、2 kHz的正弦交流信號為例。如圖9為上位機控制界面，上位機發(fā)送長度為9字節(jié)的命令幀6D 5B 59 BB 9E 66 00 EB 90，其中6D 5B為幀頭，EB 90為幀尾，59 BB 9E 66 00分別為“板卡”、“路數(shù)序號”、“頻率”、“振幅”、“啟動/停止狀態(tài)”參數(shù)。

圖9 4 V/2 kHz正弦交流信號（上位機）Fig.9 4 V/2 kHz sinusoidal ac signal（PC）

經功能板FPGA解析命令后，控制交流正弦模塊輸出振幅4 V、頻率2 kHz的正弦交流信號。圖10為產生的正弦波信號。

圖10 4 V/2 kHz正弦交流信號（示波器）Fig.10 4 V/2 kHz sinusoidal ac signal（scope）

5 結語

本文研究設計了一種應用于測量系統(tǒng)與飛行器控制系統(tǒng)的等效接口，產生各種測試所需的信號，以達到在實驗室、總裝廠以及技術陣地能全面模擬外系統(tǒng)配合測量系統(tǒng)進行系統(tǒng)測試。通過對系統(tǒng)實測數(shù)據和波形的分析結果顯示，系統(tǒng)能準確通過以太網接口接收上位機發(fā)送的命令，控制各個功能模塊產生所需的信號，并且已成功用于某航天測試系統(tǒng)中。

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