《电子技术应用》

基于PC104的高低压时序信号监测系统

2017年电子技术应用第12期
李 璟,韩逸飞,崔 靳,刘 薇,杨校华
(北京微电子技术研究所,北京100076)
摘要: 提出了一种基于PC104的实时信号时序信号监测系统,该系统包括主控设备及时序信号采集设备,板卡采用标准PC104结构。系统可以通过主控设备进行配置时序信号采集设备,实现恒流源、恒压源信号处理通路的切换及信号采集。同时用户可以通过增减时序信号采集设备的数量,自配置测量通路数量,具有通用性、扩展性、小型化等优点。

The design of real-time series acquisition system based on PC104

Li Jing,Han Yifei,Cui Jin,Liu Wei,Yang Xiaohua
(Beijing Microelectronics Technology Institute,Beijing 100076,China)
Abstract: The paper describes a kind of real-time series acquisition system for the current or voltage signal based on PC104. The system consists of the host control device and the series acquisition device with the standard PC104 bus structures. The system uses the host control device to control the series acquisition device. The system can change hardware state to adapt to current signal series acquisition or voltage signal series acquisition. The user can adjust the number of the series acquisition device to get a customized multi-channel real-time series acquisition system. The real-time series acquisition system has the characteristics of generality, extensibility and miniaturization.

李  璟,韩逸飞,崔  靳,刘  薇,杨校华

(北京微电子技术研究所,北京100076)



    中图分类号: TP391.7

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172691


    中文引用格式: 李璟,韩逸飞,崔靳,等. 基于PC104的高低压时序信号监测系统[J].电子技术应用,2017,43(12):73-75,80.

    英文引用格式: Li Jing,Han Yifei,Cui Jin,et al. The design of real-time series acquisition system based on PC104[J].Application of Electronic Technique,2017,43(12):73-75,80.

0 引言

    随着现代科技的发展,航天系统、武器装备等领域对系统可靠性要求与日俱增[1-3]。为保证嵌入式控制系统的可靠性,针对嵌入式控制系统的测试尤为重要。针对系统重要的控制信号的检测及分析,直接关系到整个控制系统功能的正确性及安全性,同时在系统研究及生产领域发挥着十分重要的作用,并且不同嵌入式控制系统的输出信号的能力及状态不同。因此,时序信号监测系统的小型化、智能化、通用化是亟待解决的重要课题。

    PC104是一种嵌入式计算机平台,与PC兼容,具有灵活的可扩展性,其尺寸小、功能强的特点非常适合嵌入式系统的应用[4,5]。本文基于PC104架构搭建了小型化的时序信号监测系统,以运放AD620实现外界时序信号的处理及转化,以国产BQV300 FPGA完成数字信号数据的采集,通过ISA总线完成数据到主控设备的传输,使用国产SPARC V8处理器完成信号的解析处理。时序信号监测系统对外提供网络通信模块及异步串口通信模块。用户可以根据需要,实现数据与主机之间的通信,最终在上位机软件对各项时序信号进行实时监测及处理。

1 系统整体设计

    本文从硬件设计、软件设计等方面阐述高低压时序信号监测系统的整体设计构架。

1.1 硬件组成

    高低压时序信号监测系统可以进行定制化组合。主要由主控单元模块、高低压测量模块、电源模块、测试电缆等组成。高低压时序测量模块可随意增减,每个高低压测量模块可以20路信号测量,以100路为例,硬件组成框架如图1所示。

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    测量系统各个模块采用标准PC104结构设计,通过ISA总线进行主控计算机及高低压时序采集模块的信息通信,其功能可实现对电压信号脉冲及恒流信号脉冲的测量。

1.2 功能设计

1.2.1 主控模块功能

    主控计算机模块是整个时序监测系统的对内对外控制中心。其主要由CPU、SDRAM、ISA总线转换、Flash、以太网、扩展UART、PWM、总线驱动、电源变换等9个功能子模块组成。

    主控计算机模块是面向控制应用,采用国产化SPARC V8处理器而研制的一种兼容PC/104规范的嵌入式计算机模块。该模块采用国产SPARC-V8处理器BM3110,支持VxWorks操作系统,对外提供交互支持。设计采用PC104主从模式控制模式,对内与高低压信号采集模块进行实时的数据传输,对外提供多元的交互通信通道,供操作者获取采样数据信息,具体结构如图2所示。

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    主控模块通过FPGA扩展接口输出,支持PC104总线16/8位模式,实现了128 MB SDRAM和256 MB Flash存储器,3路RS232串行通信接口,2路可冗余备份10 M/100 M自适应以太网接口。支持VxWorks操作系统,实现了TFFS文件系统。在整个时序信号监测系统起着信息数据承上启下的作用,是整个系统的核心模块。

1.2.2 从设备模块功能

    高低压信号采集模块是整个测试系统的功能机理实现模块,作为从设备实现20路模拟信号转化采集测量功能。本模块由继电器控制板卡测量模式转化,通过运放调理电路对信号进行放大和转换,光耦隔离电路进行信号隔离,国产FPGA电路实现时序信号处理、存储和传输。

    限于空间、体积的要求,设计实现两块板卡组成PC104高低压时序测量模块,原理框图如图3所示。模块分为数字电路板卡及模拟电路板卡,两块板卡之间信号通过接插件连接。模拟电路板卡主要为模拟电路,核心器件包括继电器、放大电路、基准电路、比较器,主要功能为实现信号切换和处理功能。数字电路板卡主要为数字电路,核心器件为FPGA、光耦、电源模块,主要提供信号控制及与PC104主板通信接口功能。

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    模拟电路板卡在硬件上主要划分为信号采集切换电路、信号处理电路及信号接口电路。其中,信号采集切换电路接收外部信号,可以根据数字电路板卡发送的信号完成高/低压信号电路的切换;信号调理电路,包括信号运放电路、基准电路、比较电路,实现信号的过滤处理,转换成符合数字电路要求的波形输出;信号接口电路实现数字电路板卡与模拟电路板卡之间的信号通路,获得数字电路板卡电源模块产生的供电信号,接收数字电路板卡传输过来的切换控制信号,发送采集到的波形信号。

    数字电路板卡硬件上主要划分为电源模块电路、FPGA相关电路、隔离电路、PC104总线接口电路和信号接口电路。电源模块接收外部电源信号,转换成板卡各个模块需要有效电源信号,完成模拟电路板卡及数字电路板卡上器件的供电;隔离电路则完成模拟信号到数字信号的隔离工作,供FPGA处理;FPGA相关电路,完成FPGA周围信号的输入、输出,FPGA则实现所有信号的处理解析;PC104总线接口模块负责PC104总线信号的传输,完成PC104高低压时序板卡与PC104主控板卡之间的交互,实现主控板卡对测量板卡的控制及波形信息的采集;信号接口电路功能同模拟电路上的信号接口电路,负责电源信号、控制信号、波形信号在两个板卡之间的传输。

1.3 软件设计

    信号监控系统分为下位机软件及上位机软件设计,通过数据传输协议进行数据交互,完成整套监控系统功能输出。

1.3.1 下位机软件设计

    下位机采用VxWorks嵌入式操作系统作为开发环境,因此设计思路采用黑箱实现采集解析功能,通过对外通信接口向上位机发送最终数据,尽量减少上位机的工作。为了简化功能,采用模块化设计,其主要由自检功能模块、信号采集模块、数据存储模块、数据交互模块组成。这样不仅简化了设计流程,同时增强软件的健壮性[6]。具体软件流程如图4所示。

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    下位机软件上电启动后首先对整个系统进行自检测试。若自检失败,则发送自检错误帧到上位机进行报警;若自检正常,则进行系统功能配置,开始数据采集;当采集到有效数据时备份到文件系统,同时发送数据到上位机。

1.3.2 上位机软件设计

    上位机为用户提供显示界面。根据通信接口获取下位机采集处理后的测量数据帧信息,并且逐条解析,根据数据协议提取关键信息,并实时显示到显示终端供用户分析。同时,上位机可以及时汇报时序监控系统状态信息,进行实时预警。具体流程图如图5所示。

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1.3.3 交互协议设计

    由于下位机主控计算机模块提供多种通信接口,因此上位机可以根据实际硬件选择。本设计采用网络接口,使用UDP协议进行数据传输。为保证数据传输可靠,在UDP有效数据段增加可靠性设计。具体帧格式为:帧头、帧类型、数据字段、校验、帧尾。下位机发送数据帧到上位机后,有上位机软件获取到一条UDP数据后,首先要检查数据校验是否正确,当确定为一条有效帧后,根据帧类型判断当前帧数据内容格式,提取有效数据字段,进而做相应的处理。

2 性能

    PC104的高低压时序信号监测系统产品成熟后,本文分别对不同阈值参数的高压信号及低压信号进行脉宽测试,测试结果如表1、表2所示。

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    该产品恒压信号测量阈值范围在20 V~36 V,测量精度在1%;恒流信号测量阈值在10 mA~200 mA,测量精度可以控制在2%以内,满足大多数控制系统应用信号要求。产品经过一定量级的环境试验及压力测试,测量的稳定性和一致性较高。

3 结语

    本文提出一种基于PC104系统结构设计的高低压时序信号监测系统,其具有可扩展化、小型化、模块化等特点。其硬件资源丰富,支持多任务和VxWorks嵌入式实时操作系统,速度快、精度高、功能强大,可以有效运行采集信号处理算法,提高了系统的可靠性。通过利用FPGA、SOC等先进电子元器件实现了较高的集成度,在保证实时性和可靠性的情况下,有效地减少了系统功耗,降低了成本。

参考文献

[1] 刘振兴,张哲,尹相根,等.异步电动机的状态监测与故障诊断技术综述.武汉科技大学学报,2000,24(3):285-289.

[2] 刘振兴,尹相根,张哲.鼠笼式异步电动机转子故障检测方法.电力自动化设备,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] 陈勇,刘晓平,应怀樵.基于PC104的高性能便携式数据采集系统[J].测控技术,2009(1):213-215.

[5] 杨公勋,屈鹏宇.基于PC104工控机的嵌入式直流监控装置的设计[J].工矿自动化,2002(2):25-27.

[6] 张蓉,邓搪,王磊.基于PC104的时序控制系统设计[J].计算机工程,2011(1):59-61.

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