一種多指令信號源遙測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張會新，張鳳英，馬　睿，崔麗杰(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051)

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一種多指令信號源遙測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張會新*，張鳳英，馬睿，崔麗杰
(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051)

摘要:為準(zhǔn)確檢測飛行器設(shè)備的工作狀態(tài)，設(shè)計了一種能夠提供多種指令信號源的遙測系統(tǒng)，以FPGA為中央控制單元，通過以太網(wǎng)接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，傳輸速率可達(dá)40 Mbit/s。根據(jù)通信協(xié)議，結(jié)合外圍硬件電路，為飛行器測試提供所需參數(shù)。經(jīng)試驗表明，此系統(tǒng)產(chǎn)生帶電指令信號幅值穩(wěn)定，不帶電指令響應(yīng)精準(zhǔn)。該系統(tǒng)可靠性高、擴(kuò)展方便，具有很強(qiáng)的實用性。

關(guān)鍵詞:電路;遙測系統(tǒng); FPGA;以太網(wǎng); W5300;指令信號

隨著航天技術(shù)和飛行技術(shù)的快速發(fā)展，準(zhǔn)確檢測飛行器工作狀態(tài)，有利于飛行器穩(wěn)定地工作，是現(xiàn)代航天測控領(lǐng)域不可缺少的環(huán)節(jié)［1］?，F(xiàn)有的飛行器測試設(shè)備，大多針對特定對象，其通用性差并且升級、擴(kuò)展難度大［2－3］。本設(shè)計以遠(yuǎn)程實時、準(zhǔn)確檢測飛行器工作狀態(tài)為目的，實現(xiàn)了基于以太網(wǎng)的多指令信號源遙測系統(tǒng)，為飛行器的監(jiān)測提供了一種全新的手段。

1　原理設(shè)計

本設(shè)計以高精度、高可靠性為設(shè)計原則進(jìn)行遙測系統(tǒng)的總體設(shè)計，系統(tǒng)主要包括以太網(wǎng)板卡模塊、背板模塊、指令板模塊，設(shè)計框圖如圖1所示。設(shè)計采用XINLINX公司的XC2S200型FPGA進(jìn)行各個模塊的中央邏輯控制。系統(tǒng)上電進(jìn)行整體復(fù)位，以太網(wǎng)板卡通過FPGA完成W5300芯片的初始化，并將W5300配置為UDP模式，接收上位機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)并根據(jù)協(xié)議進(jìn)行判斷，若數(shù)據(jù)完整則傳送給背板，否則舍棄;背板在接收到以太網(wǎng)板卡的完整數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析，提取有效信息，并根據(jù)設(shè)定的協(xié)議將數(shù)據(jù)打包、轉(zhuǎn)發(fā)給指令板;指令板對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若有效則解包，并通過控制相應(yīng)的寄存器發(fā)送命令，產(chǎn)生119路指令信號(其中91路帶電指令，28路不帶電指令)。

圖1　原理設(shè)計框圖

2　硬件電路設(shè)計

2．1總線通信硬件設(shè)計

傳統(tǒng)的USB總線通信傳輸速率低，在工作過程中，USB接口易受干擾而通信異常，導(dǎo)致傳輸過程出現(xiàn)誤碼［4］。本設(shè)計采用以太網(wǎng)接口卡，實現(xiàn)上位機(jī)與遙測系統(tǒng)之間的指令下發(fā)和數(shù)據(jù)交換，有效解決了上述問題，滿足項目快速遠(yuǎn)程測試需求［5］。

圖2　以太網(wǎng)接口卡設(shè)計

以太網(wǎng)接口卡主要包括WizNet公司的以太網(wǎng)接口芯片W5300，以及一片XC2S200型FPGA，原理圖如圖2所示。在硬件電路設(shè)計時，采用隔離變壓器T1－6T，對信號進(jìn)行電平耦合和電氣隔離，增強(qiáng)W5300芯片的抗干擾性，并起到防雷保護(hù)作用。設(shè)計采用72M外部晶振作為時間激勵，通過外圍硬件輸入將W5300芯片的“BIT16EN”管腳置高，使其工作在16 bit數(shù)據(jù)接口模式。并將OP_MODE0～OP_ MODE2接地，使W5300芯片以全自動握手模式運行。

2．2指令信號電路設(shè)計

在對飛行器測試時，遙測系統(tǒng)產(chǎn)生的指令信號為飛行器提供點火、起飛及硬啟動等命令，因此必須具備高可靠性和高靈敏度。指令信號包括帶電指令開關(guān)信號(帶電時間指令信號及帶電觸發(fā)指令信號)和不帶電指令開關(guān)信號，常用的控制“開關(guān)”開斷的器件有機(jī)械開關(guān)、光耦及繼電器等，但機(jī)械開關(guān)實時性差并且容易磨損，而繼電器控制開斷時發(fā)熱量高、容易產(chǎn)生電壓損耗。本設(shè)計采用光耦芯片AQY210作為指令信號產(chǎn)生的“開關(guān)”器件，利用光電效應(yīng)，實現(xiàn)電路的閉合或開斷，工作過程中不會出現(xiàn)磨損并且實時性高［6］。

本設(shè)計由兩塊指令板卡作為所有指令信號實現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)［7］，指令板1的功能是產(chǎn)生55路帶電指令信號(其中29路+28 V、4路+27 V、10路+15 V、12 路+5 V)，指令板2的功能是產(chǎn)生64路指令信號(其中15路－28 V、8路－15 V、8路－5 V、5路－3．3 V，以及28路不帶電指令)。指令板卡的設(shè)計是本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，以最低的成本、最簡單的電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了多種指令信號產(chǎn)生的通用化模塊，設(shè)計原理如圖3所示，主要由差分接收器DS26C32、中控FPGA、光耦A(yù)QY210開斷電路、及電壓選擇電路構(gòu)成。在指令板卡上由FPGA直接控制光耦開關(guān)的開斷，所產(chǎn)生的指令信號各項性能均滿足項目需求。

圖3　指令信號設(shè)計原理

指令板卡的電壓選擇電路如圖4(a)所示。電壓選擇電路的設(shè)計使指令信號具有很強(qiáng)的靈活性，在實際應(yīng)用時，此部分的電阻根據(jù)需求進(jìn)行選擇性焊接，實現(xiàn)V1、V2、V3、V4為不同電壓，為帶電指令提供所需電壓值。

本設(shè)計在指令板卡的“開關(guān)”開斷電路部分進(jìn)行了復(fù)用設(shè)計，由光耦芯片AQY210及選擇電阻6 R構(gòu)成，如圖4(b)所示?！癐N1”為FPGA輸出的開斷控制信號，當(dāng)FPGA輸出“0”電平時，AQY210的第3、第4輸出管腳不導(dǎo)通;當(dāng)FPGA輸出“1”電平時，驅(qū)動AQY210的第3、第4輸出管腳導(dǎo)通，這樣“OUT+”、“OUT－”就加載到輸出端口上。選擇電阻6 R實際是6個焊盤，根據(jù)項目需要，在選擇電阻6 R的焊盤靈活焊接不同電阻，完成不同信號連接的通斷。

圖4　指令信號硬件實現(xiàn)

以輸出+28 V帶電觸發(fā)指令的實現(xiàn)為例進(jìn)行闡述:在電壓選擇電路，電路板焊接時“V1”的電氣連接部分只焊接R64為0 Ω，R51、R60、R73均不焊接，使V1選通為+28 V;焊接電阻R67為0 Ω，使V1GND選通為28 V GND。只需將V1、V1GND引入“開關(guān)”開斷電路，便實現(xiàn)了+28 V帶電指令所需電壓值的提供。在“開關(guān)”開斷電路，電路板焊接時用0 Ω電阻將選擇電阻6 R的5、6焊盤接通，則6 R的第5管腳為V1即+28 V，從而光耦芯片AQY210的第3管腳為+28 V，當(dāng)FPGA控制“IN1”為高電平，觸發(fā)將AQY210的第3、第4管腳導(dǎo)通，“OUT+”為+28 V。并用0 Ω電阻將6 R的2、3焊盤接通，使“OUT－”為28 V GND?！癘UT+”“OUT－”直接連接到外部接口，實現(xiàn)+28 V帶電指令輸出。

3　軟件設(shè)計

3．1總體邏輯設(shè)計

遠(yuǎn)程遙測系統(tǒng)的所有控制工作由上位機(jī)進(jìn)行。本系統(tǒng)所需產(chǎn)生的指令信號數(shù)量較多，為確保遙測系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信穩(wěn)定，設(shè)計了以太網(wǎng)與上位機(jī)之間的通信協(xié)議，如表1所示，每個命令包由24 bit構(gòu)成，其中8 bit為寄存器地址信息，16 bit為命令字信息。以太網(wǎng)接口卡成功接收數(shù)據(jù)包后，在FPGA內(nèi)部根據(jù)寄存器地址信息進(jìn)行尋址，并對相應(yīng)寄存器賦值，生成對應(yīng)的命令。再根據(jù)與背板之間的通信協(xié)議將外部數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)整合，傳輸?shù)奖嘲澹?］。

表1　以太網(wǎng)卡與上位機(jī)之間通信協(xié)議

以太網(wǎng)板卡經(jīng)背板向各功能板發(fā)送命令的過程中，為提高系統(tǒng)時序的可靠性，本設(shè)計為數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收設(shè)計了統(tǒng)一的幀格式。每幀信號包含28 bit，如表2所示。在背板和指令板中，不同的寄存器對應(yīng)不同功能，對不同的寄存器進(jìn)行操作便代表了一定的命令。以太網(wǎng)板卡接收到上位機(jī)下發(fā)的完整數(shù)據(jù)后，存儲到FPGA內(nèi)部的寄存器，并根據(jù)命令包幀格式進(jìn)行打包，由光口傳輸至背板，背板通過差分發(fā)送器DS26C31將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街噶畎蹇ā?/p>

表2　命令包幀格式

指令板接收到背板傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，根據(jù)幀格式進(jìn)行判定、解析。通過FPGA將指令板卡的內(nèi)部寄存器數(shù)值全部初始化為“0”，在上位機(jī)對寄存器進(jìn)行寫入時，內(nèi)部寄存器刷新。若寫入16進(jìn)制數(shù)值“FFFF”則通過移位，使相應(yīng)的FPGA端口輸出高電平，觸發(fā)光耦開關(guān)AQY210閉合，最終輸出指令信號。

3．2以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)設(shè)計

上位機(jī)與以太網(wǎng)卡之間通信實現(xiàn)的關(guān)鍵，在于以太網(wǎng)芯片W5300的初始化以及如何正確配置。以太網(wǎng)控制邏輯設(shè)計如圖5所示，遠(yuǎn)程遙測系統(tǒng)上電后整體復(fù)位，待復(fù)位完成進(jìn)行W5300初始化:由FPGA控制W5300的“/RESET”管腳，將其拉低并維持17．05 μs，再置高并維持15．9 ms，完成對W5300芯片的復(fù)位。接著將ROM的配置信息賦給W5300。本設(shè)計將以太網(wǎng)設(shè)置為用戶數(shù)據(jù)報UDP模式，容易實現(xiàn)握手，減小了對FPGA的負(fù)荷，并且傳輸速率高。通過FPGA設(shè)置端口號為“8000”，打開端口，并判斷是否打開成功，若不成功則關(guān)閉端口，否則進(jìn)入數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)接收時先對接收長度寄存器進(jìn)行判斷，若大于零則進(jìn)行數(shù)據(jù)題頭的接收(8 byte的題頭包括:源端口號地址、源端口號、目的端口號、接收數(shù)據(jù)長度)，然后接收有效數(shù)據(jù)。

圖5　以太網(wǎng)控制邏輯流程圖

3．3指令板控制邏輯設(shè)計

指令板接收到由背板傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)后，根據(jù)表2所示的命令包幀格式進(jìn)行解析，并對16 bit命令字判定，若出現(xiàn)“斷開/閉合命令”則對相應(yīng)寄存器的值更新，輸出控制“開關(guān)”器件AQY210開斷的“0/1”電平，流程圖如圖6所示。

圖6　指令信號產(chǎn)生流程圖

4　試驗結(jié)果

為驗證系統(tǒng)的實用性，對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，圖7所示為遙測系統(tǒng)上位機(jī)操作界面。

圖7　上位機(jī)操作界面

在上位機(jī)操作界面點擊“15Y”下“+5 V”的復(fù)選框，觸發(fā)+5 V帶電指令。在遙測系統(tǒng)的輸出接插件上，用示波器測得指令信號波形如圖8(a)所示，通過高精度萬用表測量值為5．007 V。下發(fā)+28 V帶電時間指令時，測得結(jié)果如圖8(b)所示。試驗表明，多種指令信號均滿足設(shè)計需求。

圖8　試驗結(jié)果

5　結(jié)束語

本文以FPGA為中控單元采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信，完成了遙測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，為飛行器測試設(shè)備的實現(xiàn)提供了全新的技術(shù)。經(jīng)過對試驗結(jié)果分析，該遙測系統(tǒng)所產(chǎn)生的多種指令信號輸出準(zhǔn)確，設(shè)備在使用過程中性能穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于航天測試系統(tǒng)。

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張會新(1980－)，男，漢族，黑龍江省人，講師，現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)在讀博士，主要研究方向為動態(tài)測試技術(shù)與儀器，zhanghx@ nuc．edu．cn;

張鳳英(1990－)，女，漢族，四川省人，現(xiàn)為中北大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究方向為自動測試與控制技術(shù)，zhangfengying2012@ 163．com。

Design and Implementation of Campus LBS System Based on Indoor-Outdoor Positioning

YU Rui，LU Nan*，ZHANG Haohao，ZHU Jingxian
(School of Electronic Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

Abstract:This study addresses the dislocation of the current application software of the intelligent mobile phone location based service(Location Based Service，LBS)，a design solution of campus LBS system is introduced based on indoor-outdoor positioning．First，the architecture of the system is introduced．Then the key technologies such as Mobile GIS，GPS and the RSSI fingerprint positioning strategy in system design are analyzed elaborately．At last the function modules of system are tested and verified．Test results show that the system can realize some functions of terminal positioning，service based on indoor positioning，campus navigation，map service and so on．It occupies features of convenience，feasibility and practicality．

Key words:location based service; Android; indoor-outdoor positioning; mobile GIS

doi:EEACC: 6210L10．3969/j．issn．1005－9490．2015．02．046

收稿日期:2014－04－29修改日期: 2014－06－12

中圖分類號:TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 02－0458－05