沖擊波超壓測試系統U盤讀數盒設計

王玉全，杜紅棉，楊　帆

（中北大學電子測試技術重點實驗室，太原30051）

?

沖擊波超壓測試系統U盤讀數盒設計

王玉全，杜紅棉*，楊帆

（中北大學電子測試技術重點實驗室，太原30051）

摘要：針對野外環境進行的沖擊波測試讀數和擦除操作繁瑣的情況，為了提高沖擊波超壓測試的效率，提出自帶電源、帶有擦除功能的U盤讀數盒的設計。該讀數盒通過USB控制芯片CY7C68013的GPIF接口與測試裝置通信并向測試裝置發送時鐘信號和控制信號，將Flash中的數據暫時讀入到其內部FIFO中。然后通過68013內部增強型8051單片機控制U盤文件管理芯片CH376S將數據存入到U盤中，實現對測試裝置的U盤讀數。通過現場實驗證實，該讀數盒可以簡化野外沖擊波測試繁瑣的操作，提高沖擊波測試的效率。

關鍵詞：沖擊波超壓測試；CY7C68013；U盤讀數；CH376S；固件

近年來，隨著我國軍事的快速發展，對各彈種毀傷威力的測試需求越來越大。作為評價彈藥毀傷效果的重要參數，沖擊波超壓測試技術變得尤為重要，現今已開發出無線存儲式超壓測試系統，使沖擊波超壓測試得到極大的簡化。但是由于測試之后需要使用PC機對測試裝置進行數據讀取，給操作帶來了很大的不便。所以本文介紹一種無需PC機的讀數盒的設計，此讀數盒還具有擦除功能，使沖擊波超壓測試更加方便。

1　總體結構及工作流程

U盤讀數擦除盒（以下簡稱讀書盒）是在USB控制芯片CY7C68013和U盤文件管理芯片CH376S的基礎上進行設計的，總體框圖如圖1所示。

圖1中的基本組成為主控模塊、文件管理模塊和按鍵中斷，68013作為主芯片按固件程序完成U盤讀數和擦除操作。讀數操作由按鍵中斷給USB芯片發送讀數指令，USB再通過波形描述符輸出控制信號將數據從測試裝置中讀出到68013的FIFO中，再通過68013的增強型單片機控制U盤文件管理芯片CH376S完成數據的存盤；進行擦除操作時

圖1　U盤讀數盒總體框圖

（National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

USB芯片從外部按鍵中斷獲得擦除指令，同樣通過波形描述符輸出控制信號來完成對測試裝置閃存的擦除操作。

2　CY7C68013的基本結構和特點

68013單芯片集成USB2.0收發器、智能串行接口引擎（SIE）和增強型8051微處理器。具有4個可編程的BULK/INTERRUPT/ISOC—HRONOUS端點，端點緩沖區的大小可選擇兩倍、三倍、四倍，可完成數據和指令的傳輸［1］。同時具有通用可編程接口（GPIF），該接口可與大多數的并行接口直接相連，由可編程的波形描述符和配置寄存器定義波形，支持多個READY輸入和CONTROL輸出。68013的內部邏輯方框圖如圖2［1］所示。

圖2　68013邏輯方框圖

3　文件管理芯片CH376S簡介

CH376S是文件管理控制芯片，用于單片機系統讀寫U盤或者SD卡中的文件。CH376S支持USB設備方式和USB主機方式，并且內置了USB通訊協議的基本固件，內置了處理Mass-Storage海量存儲設備的專用通訊協議的固件，內置了SD卡的通訊接口固件，內置了FAT16和FAT32以及FAT12文件系統的管理固件，支持常用的USB存儲設備（包括U盤/USB硬盤/USB閃存盤/USB讀卡器）和SD卡（包括標準容量SD卡和高容量HC-SD卡以及協議兼容的MMC卡和TF卡）。CH376支持3種通訊接口：8 bit并口、SPI接口或者異步串口，單片機/DSP/MCU/MPU等控制器可以通過上述任何一種通訊接口控制CH376芯片，存取U盤或者SD卡中的文件或者與計算機通訊。

4　讀數盒的硬件設計

讀書盒的控制芯片使用的是滿足USB2.0要求的68013（128P）以及包含海量存儲設備通信協議的文件管理芯片CH376S，測試系統與讀數盒之間通過4個CTL信號、一個RDY信號和八位數據線相連。當執行U盤讀數操作時，使用68013中的4 kbyte的FIFO存儲從Flash讀出的數據，當4 kbyte的FIFO存到半滿狀態表示對Flash一頁數據的讀取已經完成，此時將這一頁數據由68013的8 bit并口經CH376S存入U盤中，主要電路結構圖如圖1所示。測試裝置的八位數據線接在68013的PB端口上，JCLK、JRE、READ和ERE接在68013的CTL0～CTL3引腳，讀數結束標志信號RDY0與68013的狀態輸入引腳RDY0相連。除此之外，68013通過I2C接口外接一個64 kbyte字的E2PROM 24LC64來存放固件程序。而對24LC64的地址線要求設置成A0=1；A1=A2=0；確保能夠進行I2C接口引導加載訪問。

5　68013固件功能分析

一個USB的固件程序通過keil打開后一般我們可以看到幾個文件分別為：fw.c文件、intrins.h文件、fx2sdly.h文件、dscr.a51文件、fx2regs.h文件、fx2.h文件、gpif.c文件以及periph.c文件。fw.c文件是固件的根本，USB通信協議方面的代碼都在這里完成。fx2sdly.h文件為同步延時。dscr.a51文件是USB描述符文件，包括了設備描述符，接口描述符，端點描述符，字符串等等。fx2regs.h文件是68013的寄存器地址定義。fx2.h文件中是一些預定義，宏及函數聲明。以上的這些文件一般不需要用戶進行太多改寫，使用Cypress提供的代碼即可。gpif.c文件一般由Cypress公司的GPIF工具編寫生成的包含GPIF波形描述符的文件。periph.c文件是用戶自己的代碼書寫文件，其中有3個常用的函數：void TD_Init（void）函數只會在USB啟動后調用一次，在這個函數里書寫用戶自己的初始化代碼；void TD_Poll（void）函數是用戶調度程序，USB會在空閑的時候反復調用該函數，所以用戶把自己需要反復執行的代碼放在這里；BOOL DR_VendorCmnd （void）函數是自定義命令代碼的書寫處，用戶的Vendor命令都會寫在這里，fw.c固件會自動調用這些代碼。這些就是Cypress USB固件的架構。

5.1gpif.c文件編寫

這里使用Cypress GPIF Designer來編寫生成gpif.c文件。圖3為使用GPIF Designer進行波形描述符編寫的情況。

圖3　GPIF波形描述符

圖3中Status一行的兩個點是判決點所在的位置，在該處對RDY0信號進行判斷，RDY0是讀數和擦除完成由測試系統返回的狀態信號。當RDY0=1時表示擦除或讀數完成描述符跳轉到IDLE狀態；如果RDY0＝0，跳回擦除或讀數所在的狀態繼續之前的操作。LenBr對判決點來說表示邏輯函數要跳轉到的狀態，對非判決點來說表示在該狀態停留的IFCLK周期數。Opcode定義了一些特征狀態，Output定義了進入該狀態后GPIF的6個控制信號的狀態。LFun用于判決點的波形描述符，它指定了一個邏輯函數和這個邏輯函數的輸入信號，其結果決定著跳轉的方式，跳轉方式在LenBr中已指定［2］。

5.2periph.c文件編寫

上文提到periph.c文件是用戶自己的代碼書寫文件。void TD_Init（void）函數是一些端點和寄存器的的初始化函數，這里不做過多介紹。void TD_Poll （void）函數是在IDLE狀態被重復調用的函數，所以功能性的代碼都在該函數中編寫的［3］。讀數盒的兩個功能，即讀數和擦除的程序就在該函數下完成。完成讀數和擦除的流程圖如圖4所示。

讀數開始前插入U盤，CH376S檢測到U盤則對其初始化并創建一個文件等待數據存入。當讀數中斷到來時執行讀數程序，每次讀完2 kbyte的數據即存入到U盤中，直到全部數據存儲完成等待設備移除。當擦除中斷到來時執行擦除程序。程序中GPIFWFSE?LECT是用來選擇執行的GPIF波形文件，波形文件在上一節中已經進行了介紹，4個波形描述符只對FIFO讀和FIFO寫進行了編寫是因為這里只用到2個。讀數采用的是高速模式，通過端點2進行數據傳輸。

圖4　程序流程圖

6　測試數據讀取及分析

沖擊波測試完成之后，通過讀數盒將數據讀到U盤中存儲成dat文件，圖5給出通過Matlab軟件顯示的50 kg當量TNT靜爆在5 m處的數據。

從讀數擦除盒讀取的數據波形可以看到沖擊波的上升時間很短，幾乎是垂直于X軸的，同時衰減呈負指數形式，符合經典沖擊波的波形，并且沒有發生數據錯位或丟點的情況，由此可以看出該讀數擦除盒能夠不失真地將沖擊波數據讀出。

圖5　某試驗測試數據

表1　50 kg TNT當量實爆5 m處沖擊波超壓值統計表

從上述2個波形后面的沖擊波波形可以看出該讀數盒可以很好的將測試裝置采集到的信號保存到U盤中，并且可以通過軟件讀出，而且實際讀出數據與估算值的誤差為5.4%，這對于沖擊波超壓測試來說完全可以接受。

7　總結

本文針對沖擊波超壓測試環境下傳統讀數盒讀數操作繁瑣的情況，提出了U盤讀數和的設計方案。文章介紹了讀數盒硬件連接、68013中2部分程序的編寫以及對實測數據的分析。通過多次試驗，驗證了該讀數盒體積小、自帶電源、操作方便的優點，能夠滿足沖擊波測試環境中對測試系統進行快速擦除的要求，簡化了沖擊波測試需要使用PC對測試系統進行讀數和擦除的過程，提高了野外沖擊波超壓測試的效率。

參考文獻：

［1］Cypress Semiconductor Corporation. EZ-USB FX2 Technical Ref? erence Manual Version 2.1. USA，2002.

［2］周云峰. FX2的波形描述符設計及應用［J］.微計算機信息，2005，21（2）：158-159.

［3］錢峰. EZ-USB FX2單片機原理、編程及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006：50-61.

［4］林剛勇. CY7C68013在數據傳輸中的應用［J］.微計算機信息，2007，23（10-2）：76-78.

［5］曹學友.空中沖擊波測試誤差研究［D］. 2014.

［6］U盤和SD卡文件管理控制芯片CH376手冊.

［7］王紅凱.基于CY7C68013A的USB接口系統設計［J］.電子器件，2008，31（1）：77-79.

［8］李萍. USB芯片CH376在智能儀器儀表中的應用［J］.計量與測試技術，2011（2）：9-14.

［9］張海宏,張志敏. USB2.0在SAR測試系統中的應用研究［J］.電子器件，2007，30（5）：1641-1644.

［10］李俊萍.基于CY68013的存儲測試臺的USB通信設計［J］.電子器件，2014，37（2）：361-366.

［11］匡勝元，楊浩，卞玉萍. USB2.0在高速數據采集系統中的應用［J］.電子器件，2007，30（2）：543-545.

［12］嚴石.基于USB2.0的數據采集系統設計［J］.電子器件，2008，31（6）：1919-1962.

王玉全（1990-），男，漢族，遼寧營口人，中北大學電子測試技術重點實驗室，碩士研究生，研究方向為動態測試，992739952@qq.com；

杜紅棉（1977-），女，漢族，遼寧錦州人，副教授。研究方向為爆炸沖擊波超壓測試技術及信號處理。

Design and Implementation of a General Zero-IF RF Front-End

ZUO Panpan，SAI Jingbo*
（College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing university of Technology，Beijing 100124，China）

Abstract：In allusion to that traditional RF front-end for superheterodyne architecture is bulky，complex，difficult to implement and costly and requires high image rejection performance and other shortcomings，a general RF front-end with Zero-IF structure at a working frequency in 800 MHz~2 400 MHz was designed. This RF front-end bases on a high performance demodulator including a wide band low noise amplifier，programmable RF AGC circuit，electrical tuned pre-selection filter etc，and therefore achieves the design criteria with a sensitivity better than -100 dBm/5 MHz，and a dynamical range larger than 100 dB.

Key words：RF front-end；zero-IF；LNA；AGC；IQ demodulation

doi：EEACC：122010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.027

收稿日期：2015-03-23修改日期：2015-05-15

中圖分類號：TN402

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0128-04