數(shù)字量存儲(chǔ)測試裝置設(shè)計(jì)

申曉敏，錢禮華，劉保煒，呂　倩，白　蕾

(中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測試研究院，陜西 華陰　714200)

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數(shù)字量存儲(chǔ)測試裝置設(shè)計(jì)

申曉敏，錢禮華，劉保煒，呂倩，白蕾

(中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測試研究院，陜西 華陰714200)

隨著火箭橇試驗(yàn)測試領(lǐng)域的拓寬，帶來了時(shí)序信號(hào)、彈翼展開信號(hào)、作動(dòng)筒信號(hào)、舵張信號(hào)、時(shí)間序列等一系列數(shù)字量信號(hào)的測試難題。針對以上測試需求，提出了以時(shí)序控制電路和存儲(chǔ)電路為核心的數(shù)字量存儲(chǔ)測試裝置設(shè)計(jì)思路，并就該裝置的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)驗(yàn)證進(jìn)行了全面的分析。

時(shí)序信號(hào)；數(shù)字量； 存儲(chǔ)測試； CPLD

本文引用格式：申曉敏，錢禮華，劉保煒，等.數(shù)字量存儲(chǔ)測試裝置設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(8):109-112.

近年來隨著火箭橇試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，帶來一系列測試難題，其中數(shù)字量測試僅是其中之一。如：為了對發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)行研究，需測量發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)序點(diǎn)火信號(hào)；為了對試驗(yàn)彈綜控機(jī)的工作情況分析提供依據(jù)，需對彈翼展開過程、到位信號(hào)、作動(dòng)筒信號(hào)、子彈藥拋灑等時(shí)間序列進(jìn)行測試。本文綜合考慮以上測試信號(hào)的特點(diǎn)，經(jīng)分析歸類，通過信號(hào)調(diào)理和隔離，結(jié)合CPLD和非易失性存儲(chǔ)器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)通用的數(shù)字量存儲(chǔ)測試裝置。

1　系統(tǒng)概述

在數(shù)字量存儲(chǔ)測試裝置的設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的匹配，利用光耦隔離的方式設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路。為了對數(shù)字量信號(hào)實(shí)現(xiàn)較高采樣頻率，以及采樣頻率可靈活設(shè)置，應(yīng)用可編程邏輯器件CPLD和單片機(jī)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)時(shí)序設(shè)計(jì)和時(shí)鐘控制，同時(shí)利用可編程電子晶振實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的靈活配置。數(shù)字量信號(hào)存儲(chǔ)測試完畢后，對存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，利用單片機(jī)的P1口作為控制口，通過UART將存儲(chǔ)器內(nèi)數(shù)據(jù)讀取至PC機(jī)，并以純文本格式保存。最后對保存的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析處理，以此對試驗(yàn)分析提供依據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖1。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

2　硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)過程中，主要圍繞信號(hào)調(diào)理、高速采樣、存儲(chǔ)時(shí)序控制、時(shí)鐘控制、數(shù)據(jù)讀取控制等方面展開。相應(yīng)地進(jìn)行一系列芯片選型，并提出相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

2.1主要技術(shù)指標(biāo)

本文技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)主要通過分析數(shù)字量信號(hào)的時(shí)間分辨率和信號(hào)持續(xù)時(shí)間等因素，結(jié)合晶振和存儲(chǔ)器的選型，設(shè)計(jì)采樣頻率可調(diào)、采集時(shí)間可選的通用數(shù)字量存儲(chǔ)測試裝置，以滿足火箭橇試驗(yàn)數(shù)字量存儲(chǔ)測試的需求。

數(shù)字量存儲(chǔ)測試裝置主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1) 通道數(shù)：8 ch

2) 采樣頻率：6.4 ksps、12.8 ksps、25.6 ksps、51.2 ksps、100 ksps、200 ksps、400 ksps、800 ksps、1.6 Msps

3) 存儲(chǔ)容量：1 MB、2 MB、4 MB、8 MB

4) 觸發(fā)方式：斷靶

5) 供電電壓：單電壓5 V

6) 記錄時(shí)間：不小于5 s(根據(jù)采樣頻率和存儲(chǔ)容量計(jì)算確定)

2.2信號(hào)調(diào)理單元設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理單元的設(shè)計(jì)主要針對不同類型的數(shù)字量信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的匹配性，利用光耦隔離的方式，將需要記錄的不同數(shù)字量信號(hào)通過光耦，然后送入存儲(chǔ)器。設(shè)計(jì)原則為利用光耦工作電流5～20 mA；光耦不同輸入端間相互隔離，輸入信號(hào)互不干擾，提高信號(hào)隔離度，避免通道串?dāng)_；光耦輸入端與輸出端不共地，提高系統(tǒng)信噪比。

2.3單片機(jī)控制單元設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，單片機(jī)作為核心控制單元之一，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和讀取控制，其中主要利用P1口作為控制口，P2口作為數(shù)據(jù)接口，P3口應(yīng)用外部中斷和UART。

在數(shù)據(jù)采集過程中，利用P1口輸出相關(guān)控制信號(hào)給CPLD和電子晶振，同時(shí)控制74LS245[1]。通過單片機(jī)信號(hào)對電子晶振可編程端口的控制來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的輸出和采樣頻率的設(shè)置；單片機(jī)的外部中斷0接收觸發(fā)信號(hào)后，輸出控制和啟動(dòng)信號(hào)給CPLD，使系統(tǒng)開始采集。為了實(shí)現(xiàn)采集和讀取過程中數(shù)據(jù)端口的相互隔離，利用單片機(jī)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給兩片74LS245，使其能有效地置于數(shù)據(jù)有效或高阻抗?fàn)顟B(tài)，以及控制數(shù)據(jù)的方向。

在數(shù)據(jù)讀取過程中，主要利用單片機(jī)相應(yīng)的控制和UART[2-3]，以及CPLD的時(shí)序控制，使數(shù)據(jù)有效地從存儲(chǔ)器經(jīng)P2口和UART傳輸至PC機(jī)，以便進(jìn)行后續(xù)處理。

單片機(jī)控制單元設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.4CPLD控制單元設(shè)計(jì)

CPLD是超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷闹髁髌骷?，其直接面向用戶，具有極大的靈活性和通用性。本研究利用其邏輯功能塊，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)控制單元設(shè)計(jì)。CPLD控制單元主要負(fù)責(zé)采集和讀數(shù)過程中相應(yīng)控制信號(hào)的獲得和地址發(fā)生器的產(chǎn)生，以便給存儲(chǔ)器提供所需的讀寫信號(hào)和地址推進(jìn)信號(hào)，使采集過程中數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，讀取過程中從相應(yīng)的存儲(chǔ)單元取出數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)。CPLD內(nèi)部時(shí)序設(shè)計(jì)電路[4-7]和仿真時(shí)序如圖3所示。

圖2　單片機(jī)控制單元設(shè)計(jì)圖

圖3　CPLD內(nèi)部時(shí)序設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果

數(shù)字量存儲(chǔ)測試裝置的設(shè)計(jì)，不經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，通過信號(hào)隔離調(diào)理電路，提高信號(hào)的抗干擾能力，使信號(hào)干凈無毛刺，滿足火箭橇試驗(yàn)強(qiáng)電磁干擾環(huán)境應(yīng)用要求。利用單片機(jī)和CPLD的聯(lián)合控制技術(shù)，優(yōu)化資源，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，提高程序執(zhí)行效率。

3　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[2-3]主要是單片機(jī)采集程序控制部分和數(shù)據(jù)讀取部分，以及相應(yīng)的軟件仿真，其程序流程如圖4所示。

圖4　單片機(jī)程序流程

3.1KeilC51軟件仿真

根據(jù)采集、讀數(shù)要求的時(shí)序和控制信號(hào)對程序進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)程序編譯、鏈接無誤后，進(jìn)入仿真環(huán)境，在程序執(zhí)行過程中觀察P1口的變化，同時(shí)對P2口賦值觀察SBUF的變化，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2單片機(jī)輸出控制信號(hào)測試

對單片機(jī)輸出控制信號(hào)用示波器進(jìn)行檢測驗(yàn)證使其滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3利用串口調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)以檢測程序

應(yīng)用串口調(diào)試助手，對P2口置不同的值，進(jìn)行串口發(fā)送，觀察顯示的值與預(yù)置的值是否一致，若一致表明串口發(fā)送正常。

4　設(shè)計(jì)驗(yàn)證

4.1靜態(tài)檢測

對數(shù)字量存儲(chǔ)測試裝置的靜態(tài)檢測主要考慮利用該裝置輸入端相互隔離的特性，將其每個(gè)輸入通道各自接地或接高電平信號(hào)，然后進(jìn)行采集，最后讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)各輸入端分別為全“0”或全“1”狀態(tài)，驗(yàn)證了其輸入端相互隔離，數(shù)據(jù)采集、讀取過程中數(shù)據(jù)端互置為高阻抗的狀態(tài)；同時(shí)驗(yàn)證該裝置各項(xiàng)功能是否正常，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2動(dòng)態(tài)檢測

對數(shù)字量存儲(chǔ)測試裝置的動(dòng)態(tài)檢測主要利用信號(hào)源，將信號(hào)源產(chǎn)生的階躍信號(hào)、脈沖信號(hào)、模擬通斷、斷通信號(hào)加載至其輸入端，然后進(jìn)行采集記錄，最后讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，其檢測示意圖如圖5所示。

圖5　動(dòng)態(tài)檢測示意圖

對數(shù)字量存儲(chǔ)測試裝置采集記錄的信號(hào)源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，可得到模擬信號(hào)源輸入端輸入的信號(hào)，可見，該測試裝置能動(dòng)態(tài)復(fù)現(xiàn)信號(hào)源信號(hào)，功能穩(wěn)定，其動(dòng)態(tài)測試檢測效果良好。

4.3應(yīng)用驗(yàn)證

將本次設(shè)計(jì)的數(shù)字量存儲(chǔ)測試裝置搭載某火箭橇試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步地檢驗(yàn)與驗(yàn)證，可得到圖6所示的測試結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s，縱坐標(biāo)為數(shù)字量信號(hào)，即高、低電平(0、1信號(hào))。其中Y信號(hào)由高(1)到低(0)，表示某展開到位信號(hào)；R信號(hào)由高(1)變低(0)，再變高(1)，表示產(chǎn)生一脈沖信號(hào)?？梢?，該測試裝置能動(dòng)態(tài)復(fù)現(xiàn)被測信號(hào)，并且測試信號(hào)無毛刺，表明其功能穩(wěn)定，使用可靠，達(dá)到產(chǎn)品化、實(shí)用化的目的，為今后火箭橇試驗(yàn)中數(shù)字量信號(hào)的存儲(chǔ)測試奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖6　動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測結(jié)果

5　結(jié)論

本研究針對火箭橇試驗(yàn)測試需求設(shè)計(jì)的數(shù)字量存儲(chǔ)測試裝置，經(jīng)過靜、動(dòng)態(tài)檢測和應(yīng)用驗(yàn)證，測試效果良好，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求，達(dá)到了本次設(shè)計(jì)的目的。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

Design of Test Device of Storage for Digital Signal

SHEN Xiao-min, QIAN Li-hua, LIU Bao-wei, LYU Qian, BAI Lei

(Test & Measuring Academy of Norinco. Group, Huayin 714200, China)

According to the development of the test field that the trial of the rocket sled, there is a series of test puzzle for digital signal, such as the signal of time serial, the evoloving signal of wing and helm, the signal of action and so on. Aim at the upwards requirements of test, this article brought forward the core of design of test device of storage for digital signal that the control and storage circuit. And this article described the design of hardware and software, and the test of the design for the equipment intensively.

the signal of time seria；digital signal；the test of storage；CPLD

2016-02-20；

2016-03-20

申曉敏(1983—)，女，工程師，主要從事存儲(chǔ)測試研究。

10.11809/scbgxb2016.08.025

format:SHEN Xiao-min, QIAN Li-hua, LIU Bao-wei, et al.Design of Test Device of Storage for Digital Signal[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):109-112.

TJ011.+2

A

2096-2304(2016)08-0109-04

【信息科學(xué)與控制工程】