【正文】 FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)DDS的各模塊與A/D和LPF器件的實(shí)際連接如圖419所示。廣泛使用的方法是通過定制ROM存儲器來存儲相位序列號所對應(yīng)的幅值，然后輸入序列號對應(yīng)地址來輸出幅值的方式解決幅相對應(yīng)問題。正弦波、鋸齒波、三角波的實(shí)現(xiàn)是基于直接數(shù)字頻率合成(DDFS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的[40][41]。如圖417所示編寫好各功能單元的功能塊，下載到FPGA中硬件測試，當(dāng)閘門時(shí)間設(shè)為100ms，由信號發(fā)生器發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)的頻率確定的方波，經(jīng)FPGA測試，當(dāng)在1MHZ~10HZ可以準(zhǔn)確、即時(shí)測得的頻率值，且當(dāng)f1≤100KHZ時(shí)，其測量結(jié)果誤差≤‰。clkin為時(shí)鐘輸入端；R//C為輸出至AD的占空比1:9的100k信號，用以觸發(fā)器轉(zhuǎn)換功能，使AD工作于最大轉(zhuǎn)換速率下；/CS為輸出給AD的片選；datain[15..0]為AD轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入；adbusy為AD數(shù)出的忙狀態(tài)信號，上升沿表示AD輸出結(jié)果有效，本模塊用以觸發(fā)對datain[15..0]的邏輯鎖存，輸出dataout[15..0]給DSP。K4S641632的操作流程如圖411所示。K4S641632是64Mb的SDRAM，信號兼容LVTTL，支持自動(dòng)刷新，有16bit/8bit兩種數(shù)據(jù)總線形式，本系統(tǒng)采用16bit位寬模式，8bit模式不介紹，其引腳功能如表43所示。圖4 8 增量式位置信號讀取示意圖濾噪功能塊將A、B、Z三路信號每路都通過四級D觸發(fā)器，假設(shè)D觸發(fā)器的觸發(fā)時(shí)鐘頻率為，則小于時(shí)間的噪聲尖峰都將被濾除，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。驗(yàn)證正確無誤后輸出26bit的位置數(shù)據(jù)供DSP讀取。此類伺服系統(tǒng)的伺服周期一般都在ms級，1ms即可滿足伺服性能。 主接口通過發(fā)出通訊時(shí)鐘信號來控制數(shù)據(jù)獲取時(shí)序和數(shù)據(jù)傳輸速率，從接口通過接收到的時(shí)鐘信號來向主接口返回?cái)?shù)據(jù)信息。圖4 3 DSP與FPGA通信邏輯示意圖各信號線與DSP對應(yīng)引腳的連接和功能如表41所示。圖4 1 FPGA開發(fā)流程 FPGA功能模塊概覽圖4 2 FPGA片上邏輯功能塊及關(guān)系示意圖FPGA作為測控卡的協(xié)處理器，主要功能在于增強(qiáng)系統(tǒng)的兼容性與可擴(kuò)展性，只要在FPGA內(nèi)植入相應(yīng)邏輯，就可以為系統(tǒng)擴(kuò)展多樣的接口。 本章小結(jié)本章完成了信號采集控制卡各模塊和以太網(wǎng)接口獨(dú)立模塊的硬件設(shè)計(jì)，對相關(guān)功能列出了設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及適應(yīng)本系統(tǒng)功能要求的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，經(jīng)過元器件的焊接與整卡聯(lián)調(diào)，各項(xiàng)功能正常，章末列出了一些電路設(shè)計(jì)時(shí)候關(guān)于信號完整性方面的一些注意事項(xiàng)與設(shè)計(jì)、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。如圖，可以根據(jù)自己的選擇焊接相應(yīng)電阻。圖3 19 以太網(wǎng)協(xié)議專用接口芯片內(nèi)部功能示意圖利用接口芯片開發(fā)以太網(wǎng)通信功能，省卻了對復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議棧的細(xì)化研究，開發(fā)相對簡便，能夠方便快速地搭建一個(gè)多端點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)傳輸，同時(shí)很好地利用了PC機(jī)網(wǎng)卡、網(wǎng)口等既有硬件設(shè)施，可以實(shí)現(xiàn)有很高的性價(jià)比。即同時(shí)只能有一個(gè)主機(jī)（DSP /FPGA）通過一種接口（SPI/SCI/I2C/CAN）與外部相連。為了兼容其他的各種通信接口，綜合應(yīng)用模塊設(shè)計(jì)了兩路40針I(yè)DE插槽，在FPGA上設(shè)計(jì)相應(yīng)的邏輯功能就可以實(shí)現(xiàn)多接口的兼容，比如可以擴(kuò)展外部的AD、DA和存儲器等。增量式位置信號，該信號為三對六線差分，通過FPGA內(nèi)的增量式光電編碼器位置解碼模塊可以獲得代表位置量的脈沖計(jì)數(shù)結(jié)果；絕對式位置信號，針對基于BissC通信協(xié)議的某型號圓光柵，該信號為兩對四線差分，F(xiàn)PGA通過與其進(jìn)行串行同步通信，可以獲得絕對位置信息。在QuartusII中使能后，當(dāng)56引腳DEV_OE被低電平信號拉低后所有的I/O輸出就會被設(shè)置成高阻態(tài)，信號變高后I/O輸出將回復(fù)正常；當(dāng)206引腳DEV_CLRn被低電平信號拉低后所有的內(nèi)部寄存器將暫時(shí)歸零，信號變高后寄存器將回復(fù)原始值；當(dāng)26引腳nCONFIG被低電平信號拉低后FPGA 將丟失配置邏輯且I/O呈高阻態(tài)，歸高后FPGA將重新進(jìn)行邏輯配置。 電源模塊FPGA的穩(wěn)定工作工作需要高性能的電源供給，~，外圍IO電壓VCCIO的電壓范圍與其IO通信所遵循的協(xié)議電平相關(guān)。支持多種調(diào)試工具，如SignalTapII 嵌入式邏輯分析儀為實(shí)時(shí)觀察片內(nèi)硬件邏輯提供了途徑。由于DSP的啟動(dòng)模式的一般很少改變，所以本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的啟動(dòng)模式選擇電路不采用比較占用板上空間的跳線方式，而是通過四個(gè)對地的20KΩ電阻進(jìn)行設(shè)置。 片上AD外部電路圖3 4 DSP最小系統(tǒng)模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換部分28335片上的12位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器有16路獨(dú)立的采樣保持電路，采樣方式靈活多樣，16路的S/H結(jié)果對應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行可控的分時(shí)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式靈活[33]。TI公司的TPS767D301PWP型電源芯片，封裝緊湊，高耐熱，雙路輸出均有熱關(guān)斷功能，其中一路電壓輸出可調(diào)。第3章 數(shù)據(jù)采集控制卡的硬件設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集控制卡的模塊劃分為了提高系統(tǒng)通用性、可擴(kuò)展性，便于日后系統(tǒng)升級和損耗器件的更換，測控卡采用了模塊化設(shè)計(jì)，由DSP最小系統(tǒng)模塊、FPGA最小系統(tǒng)模塊、綜合應(yīng)用模塊和一些其它的專用功能模塊組成，具體結(jié)構(gòu)組成如圖31所示。通經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，文件型數(shù)據(jù)庫有等特點(diǎn)，比較適合有較多操作的測控領(lǐng)域的應(yīng)用，而關(guān)系型數(shù)據(jù)庫更適合商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測控卡的架構(gòu)如圖23灰色區(qū)域所示。圖2 2 工業(yè)以太網(wǎng)主要結(jié)構(gòu) 如圖22(a)所示基于TCP/IP的實(shí)現(xiàn)，這種方式沿用了以太網(wǎng)的14層，通過上層合理的控制來應(yīng)對通信中的非確定性，而且能夠與商用網(wǎng)絡(luò)自由地通信，但只適用于對實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用，使用這種方式的典型協(xié)議有和等；如圖22(b)所示的基于以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，使用未修改過的以太網(wǎng)通信硬件，上層利用一種專用的傳輸協(xié)議來傳輸特定，并通過一個(gè)一定的時(shí)間來占用以太網(wǎng)資源，可以實(shí)現(xiàn)較高的實(shí)時(shí)性，這類協(xié)議主要有、等；如圖22(c)所示基于修改過的以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，這種方式對以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行了修改(硬件修改)，通過MAC來對實(shí)時(shí)通道內(nèi)的通信進(jìn)行控制，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)仍然可以傳輸，可以獲得響應(yīng)時(shí)間小于，這種方式下的典型協(xié)議主要包括、和等?，F(xiàn)代數(shù)據(jù)采集及控制領(lǐng)域中原來越多的現(xiàn)場采集設(shè)備需要擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)功能以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸，以太網(wǎng)以其低成本、易于集成、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。（7）系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的測控功能。現(xiàn)今的發(fā)展主要有以下方向和趨勢：更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信，更便捷的人機(jī)交互，更低功耗，更小尺寸[19][46]。另外美國的HP、Tektronic和安捷倫等公司等在網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器方面都有自己的成功之處。虛擬儀器技術(shù)能快速將計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀表技術(shù)的最新成果轉(zhuǎn)化為儀器性能的提升[7][8]，利用模塊化的測試硬件實(shí)現(xiàn)功能多樣、使用方便、兼容性強(qiáng)的信號測量與控制系統(tǒng)[10][11]，在儀器儀表發(fā)展史上具有里程碑式的意義。作為溝通現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界的橋梁，測量與控制得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，測控儀器也一直是相關(guān)領(lǐng)域科研人員的研究熱點(diǎn)[3]。control endpoints and the other two modules. Real time monitoring module is the core of the system software and possesses the right to dominate the other two modules, and it is the interface to express functional requirement by operators. Background dataprocessing module manages system data through filefeatured database and is controlled by the monitoring module.Finally, interconnect the system software and several local dataacquisitionamp。主要的測量及控制任務(wù)通過以太網(wǎng)通信由運(yùn)行于上位機(jī)的測控系統(tǒng)軟件進(jìn)行人工操作。隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、微電子等領(lǐng)域的快速發(fā)展及新技術(shù)成果的不斷取得，測控系統(tǒng)也出現(xiàn)了功能更強(qiáng)大、性價(jià)比更高的實(shí)現(xiàn)方式。測控卡的功能架構(gòu)為DSP+FPGA結(jié)構(gòu)，DSP采用數(shù)據(jù)處理性能優(yōu)異、片上外設(shè)豐富的最新一代的工控專用浮點(diǎn)處理器TMS320F28335，F(xiàn)PGA選用片上邏輯資源量大、性價(jià)比高的EP2C8Q208CN。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化；信號采集；嵌入式控制；DSP+FPGAAbstractMeasurement and control are two indispensable ponents of modern engineering science and technology. Along with the rapid development of puter, network, microelectronics and new technological achievements achieved constantly, more powerful and costeffective approaches can be implemented in measurement and control system. Networkbased virtual measuring instrument and embedded control system is the development tendency of the measurement and control system. This engineering technology achievements not only can be turned into economic benefit quickly but also is of profound meaning in improving military technology and industrial production level.Combining the advantages of networkbased virtual instrument and embedded control technology, a system with network munication function, remote signal acquisition function and control function is designed. The system is designed to meet the synchronization requirement of multicontrolledplant, which has the following performance index—expandability, network munication ability, large data bandwidth, relatively wide application field. With above abilities, networkbased information interaction, embedded control, virtual presentation of operation interface could be brought to realization. Within this system, dataacquisitionamp。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。智能化儀器，測量儀器儀表的智能化即所謂的嵌入式系統(tǒng)的一種應(yīng)用，內(nèi)嵌的微控制器與儀器融為一體，可以實(shí)現(xiàn)較好的人機(jī)交互，擁有靈活的測量控制，能自主完成測試任務(wù)，功能多樣、使用方便，應(yīng)用廣泛，是當(dāng)前電子測量儀表的[1][5]。美國國家儀器公司是專業(yè)從事的信號采集、調(diào)理與運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域軟硬件研發(fā)企業(yè)，上世紀(jì)八十年代提出的虛擬儀器概念引起了[8]， 其技術(shù)在業(yè)內(nèi)一直保持國際領(lǐng)先水平。嵌入式控制系統(tǒng)可以很好的克服網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性障礙。為了服務(wù)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)項(xiàng)目，同時(shí)也是為線振動(dòng)與過載組合測試設(shè)備、慣性產(chǎn)品動(dòng)態(tài)組合測試試驗(yàn)提供測控平臺所做的預(yù)先研究，本課題設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)化測試和控制平臺的實(shí)現(xiàn)方案。第五章， 上位機(jī)測控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，包括實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和基于文件型的數(shù)據(jù)后臺處理模塊，測試網(wǎng)絡(luò)通信性能，給出系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果。 以太網(wǎng)通信方案的選擇以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)只用到了ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的7層系統(tǒng)互連模型其中的5層，如圖22(d)所示。測控卡與上位主機(jī)進(jìn)行多卡組網(wǎng)之后，其通信傳輸層采用的協(xié)議有兩種： TCP和UDP。本系統(tǒng)中FPGA用以擴(kuò)展與外圍功能模塊的通信接口，如獲取反饋信號、輸出控制信號、數(shù)據(jù)鎖存等，這樣就為系統(tǒng)升級、增加外設(shè)種類提供了可能性，同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)有大量復(fù)雜算法需要運(yùn)算時(shí)，可以接受DSP分配的數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)管理的高效性，將通過文件型數(shù)據(jù)庫來對大量的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理。與DSP2812相比，該芯片的有以下諸多優(yōu)點(diǎn)與性能的提升：(1) 最多可達(dá)88個(gè)通用IO引腳，功能配置靈活，復(fù)用能力強(qiáng)，外部擴(kuò)展接口XINTF擴(kuò)展為32位，且提供復(fù)用功能；(2) 3個(gè)外部中斷觸發(fā)擴(kuò)展引腳，且可以在不同IO引腳上靈活配置；(3) 存儲空間更大256KDWords、訪問更靈活，部分RAM空間提供非常有特點(diǎn)的雙映射(DualMapped)，6個(gè)DMA通道，多達(dá)18路的PWM輸出，其中6路為高精度脈寬調(diào)制信號(HRPWM)；(4) 通信接口豐富：2個(gè)CAN模塊、3個(gè)SCI模塊、2個(gè)McBSP、1個(gè)SPI及1個(gè)I2C接口，ADC轉(zhuǎn)換更精確快速；(5) 32位浮點(diǎn)數(shù)處理單元，為開發(fā)者編寫浮點(diǎn)處理算法提供了極大便利。本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的模/數(shù)電壓源與地之間通過電感隔離的方法，在原理圖階段通過不同網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號進(jìn)行有效區(qū)別。如圖35所示，芯片U3是TI公司為其DSP設(shè)計(jì)的專用復(fù)位功能芯片，可以通過手動(dòng)觸發(fā)生