【文章內(nèi)容簡介】 的主要功能和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上，確定掃描開關(guān)的主要功能和技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)主要功能和技術(shù)指標(biāo)提出掃描開關(guān)的軟硬件設(shè)計方案。 　模塊的主要功能和技術(shù)指標(biāo)LXI開關(guān)掃描模塊主要用于測試系統(tǒng)中多路信號的切換，大多與數(shù)字多用表及數(shù)據(jù)采集模塊配合使用，適用于隔離要求高、測量精度高、導(dǎo)通電阻小、速度要求不高的場合，是各種測試控制系統(tǒng)中常用的基本模塊，該模塊具有64路開關(guān)量輸出，多種掃描模式。模塊的主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）64路的開關(guān)量輸出；（2）具有多種掃描方式可供選擇；（3）可控的掃描間隔；（4）可控的掃描次數(shù)；（5）控制方式：通過WEB接口的控制和通過IVICOM驅(qū)動控制方式。 　模塊的總體設(shè)計方案LXI掃描開關(guān)模塊主要由上位機、LXI核心板、LXI功能板三大部分組成。其中上位機具體實現(xiàn)控制命令的發(fā)出。它具體包括兩種控制方式：一種是基于WEB網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的網(wǎng)頁操作界面，另外一種是基于IVICOM驅(qū)動的控制方式，后者可以通過設(shè)計軟面板實現(xiàn)快捷簡易的操作。兩者都會將掃描需要的參數(shù)以及掃描控制信號通過LAN發(fā)送給LXI核心板的ARM進(jìn)行處理。LXI核心板以型號為AT91RM9200的ARM芯片為處理核心，芯片上運行著Linux操作系統(tǒng)。它通過LAN局域網(wǎng)與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互與通信。在上位機通過WEB網(wǎng)頁的控制渠道下，ARM內(nèi)運行能夠用過網(wǎng)頁直接調(diào)用的CGI程序?qū)崿F(xiàn)對控制命令的解析和執(zhí)行。在上位機通過IVICOM驅(qū)動的控制渠道下，ARM內(nèi)運行命令解析和執(zhí)行服務(wù)程序。ARM和功能板的通信則通過EBI總線。在該掃描開關(guān)模塊中，ARM主要通過向功能板的FPGA內(nèi)的寄存器中寫掃描參數(shù)以及控制使能實現(xiàn)對功能板掃描功能的控制。ARM與FPGA的主要通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、讀/寫控制線以及片選線進(jìn)行連接。LXI功能板以一塊FPGA芯片為控制的核心，它通過獲得ARM發(fā)來的掃描參數(shù)實現(xiàn)對掃描周期、掃描次數(shù)、掃描的繼電器以及掃描模式的配置，并接收掃描使能信號實現(xiàn)對掃描起始與掃描終止的控制。對于掃描的功能實現(xiàn)，F(xiàn)PGA內(nèi)通過對寄存器的循環(huán)移位操作以控制開關(guān)掃描的過程。圖21 模塊工作流程圖如圖21所示，上位機以WEB或者IVICOM驅(qū)動的控制方式，通過局域網(wǎng)LAN與微處理器ARM之間實現(xiàn)通信，而微處理器ARM與FPGA通過外部EBI總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)PGA收到ARM發(fā)出的數(shù)據(jù)后，實現(xiàn)控制邏輯，并通過IO口輸出控制繼電器的開合。 　硬件設(shè)計方案由于LXI技術(shù)在多種測量模塊中都有著廣泛的使用，其核心板的開發(fā)與使用已經(jīng)非常的完善。在設(shè)計之前已經(jīng)對LXI核心板中需要使用的模塊以及驅(qū)動等進(jìn)行了充分的了解，在設(shè)計過程中則充分利用已知的LXI核心板工作原理和功能進(jìn)行所需的硬件設(shè)計。因此，LXI掃描開關(guān)模塊的硬件設(shè)計就主要為功能板的電路設(shè)計。圖22 功能電路硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖22所示，LXI核心板與功能板之間通過EBI總線實現(xiàn)通信。在功能板中，F(xiàn)PGA通過IO輸出高、低電平，并經(jīng)過驅(qū)動電路實現(xiàn)對模式選擇繼電器和開關(guān)量繼電器的控制，其中模式選擇繼電器能夠改變開關(guān)量繼電器的連接狀態(tài)，開關(guān)量繼電器與外部節(jié)點和外部系統(tǒng)相接。LXI掃描開關(guān)模塊的功能電路是實現(xiàn)對繼電器斷開和閉合的控制的關(guān)鍵模塊。其主要負(fù)責(zé)與嵌入式微處理器ARM的并行通信，接收ARM數(shù)據(jù)并實現(xiàn)對繼電器的控制。本掃描開關(guān)模塊中，使用FPGA器件作為整個功能電路的主控制器。相比于單片機，這些器件具有充足的IO引腳資源可直接對64路繼電器實現(xiàn)控制。而對于整個控制過程，可以在微處理器ARM的Linux操作系統(tǒng)中通過軟件來實現(xiàn)控制，也可以通過邏輯設(shè)計來實現(xiàn)對繼電器的控制。相比之下，采用邏輯設(shè)計進(jìn)行控制，避開了軟件上程序必須順序執(zhí)行的限制，F(xiàn)PGA內(nèi)各個時序模塊并行運行的特點為多組繼電器同時掃描提供了條件。由于掃描開關(guān)是一個低速應(yīng)用的模塊，對控制器件的性能要求不高。因此使用Altera的Cyclone I系列成本偏低性能偏低的FPGA便能滿足設(shè)計的需求，封裝使用的是PQFP。 　軟件設(shè)計方案LXI掃描開關(guān)模塊軟件設(shè)計主要包括2大部分：ARM內(nèi)Linux操作系統(tǒng)下的命令解析和執(zhí)行服務(wù)程序，上位機中的IVICOM驅(qū)動程序和網(wǎng)頁界面設(shè)計、軟面板設(shè)計。圖23 軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖23所示，上位機具有兩種途徑能夠向微處理器ARM發(fā)送控制指令及控制參數(shù)，一種是通過WEB網(wǎng)頁控制，另外一種是通關(guān)過IVICOM驅(qū)動程序控制。 　基于WEB網(wǎng)頁控制的軟件方案每個LXI儀器都是一個獨立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，所有LXI儀器都必須提供包括產(chǎn)品主要信息在內(nèi)的歡迎網(wǎng)頁及LAN配置網(wǎng)頁，A類和B類設(shè)備還要具有同步配置網(wǎng)頁。此外，儀器還可以提供狀態(tài)、其他頁面，來顯示儀器的當(dāng)前狀態(tài)和其他信息。這些網(wǎng)頁通過HTTP80端口連接到網(wǎng)絡(luò)，并可以通過標(biāo)準(zhǔn)W3C網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看。從Web接口的角度看，LXI儀器類似于一個Web服務(wù)器，控制計算機可以像訪問Web站點一樣訪問LXI的儀器，查看儀器的配置或者狀態(tài)信息，還可以通過Web網(wǎng)頁對儀器進(jìn)行控制。在信息技術(shù)和個人電器的迅速發(fā)展的背景下，全球的嵌入式操作系統(tǒng)平臺也得到快速發(fā)展，目前廣泛使用的嵌入式OS包括Linux、WinCE、VxWorks等等，每個系統(tǒng)都有其獨特的特長，VxWorks是極好的實時操作系統(tǒng)，在對響應(yīng)時間有嚴(yán)格要求的系統(tǒng)中是較好的選擇，WinCE由Microsoft研發(fā)和支持，擁有強大的窗口資源支援，適合在手持式個人電子產(chǎn)品中應(yīng)用。Linux開放源代碼，經(jīng)過了近20年的發(fā)展，已經(jīng)成為一個健壯的可靠的高性能的操作系統(tǒng)，其最大的優(yōu)勢在于它是一個完全開放和透明的操作系統(tǒng)，用戶可以最大限度地控制系統(tǒng)開發(fā)的配置、進(jìn)度和成本。Linux是模塊化的操作系統(tǒng)，提供了優(yōu)秀的可縮放功能，用戶可以根據(jù)自己的需要，選擇特定的功能模塊，自主地搭建嵌入式操作系統(tǒng)。這很好地解決了大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)對于操作系統(tǒng)的大小的敏感。Linux內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)支持，擁有強大的網(wǎng)絡(luò)功能，用戶可以輕松地使自己的嵌入式具有網(wǎng)絡(luò)功能。基于Web網(wǎng)頁的控制方式，需要在ARM內(nèi)的Linux操作系統(tǒng)的后臺下運行Web服務(wù)器。通過上位機的瀏覽器訪問儀器的網(wǎng)絡(luò)地址可以打開儀器的歡迎界面，并在歡迎界面下可以通過鏈接轉(zhuǎn)到IP設(shè)置、功能控制等相應(yīng)的界面。網(wǎng)頁界面能夠調(diào)用對應(yīng)的CGI程序?qū)崿F(xiàn)對控制命令的解析和執(zhí)行。 　基于IVICOM驅(qū)動控制的軟件方案LXI規(guī)范中規(guī)定：LXI設(shè)備必須提供IVI規(guī)定的驅(qū)動程序，并且如果設(shè)備符合LXI類規(guī)范，其驅(qū)動程序必須是類兼容的。IVI規(guī)范對儀器驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)、功能以及各個方法和屬性的實現(xiàn)均做了詳細(xì)的規(guī)定。雖然IVI基金會并沒有要求特定的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)技術(shù)，但在LXI設(shè)備中提供統(tǒng)一的IVI驅(qū)動程序解決方案能夠極大地提高用戶效益。IVI驅(qū)動的實現(xiàn)普遍有兩種方式，一種是通過NI LabVIEW等工具實現(xiàn)的IVIC驅(qū)動程序，它是基于C語言的實現(xiàn)，另一種是在Visual Stdio下實現(xiàn)的IVICOM驅(qū)動程序，IVICOM指IVI（Interchangeable Virtual Instrumentation）驅(qū)動的COM實現(xiàn)。規(guī)范推薦使用后一種方式實現(xiàn)，IVICOM驅(qū)動能夠獲得較好的交互性，而且絕大部分應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境都支持微軟的COM技術(shù)。IVI儀器驅(qū)動程序根據(jù)API分類的方式可分為IVIC和IVICOM，它們分別是ANSIC和COM技術(shù)與虛擬儀器結(jié)合的產(chǎn)物。由于IVICOM驅(qū)動程序是以所有主要應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境都支持的微軟COM技術(shù)為基礎(chǔ)的，為想要獲得互換性的用戶提供了極好的工具，LXI標(biāo)準(zhǔn)推薦使用IVICOM驅(qū)動程序。該掃描開關(guān)模塊屬于C類儀器，其驅(qū)動程序可直接采用已被開發(fā)過的類兼容IVICOM驅(qū)動程序，在此基礎(chǔ)上，需要設(shè)計Linux操作系統(tǒng)下的命令解析和執(zhí)行程序以及用以簡化操作的軟面板。 　本章總結(jié)本章給出了LXI掃描開關(guān)模塊的主要技術(shù)指標(biāo)和功能要求，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，包括硬件設(shè)計方案和軟件設(shè)計方案。給出了硬件、軟件總體的結(jié)構(gòu)框圖，對主要的硬件設(shè)計方案進(jìn)行分析，闡述了軟件設(shè)計的客戶需求以及技術(shù)要求。第3章 硬件電路設(shè)計及邏輯設(shè)計LXI掃描開關(guān)模塊的硬件電路主要為LXI功能板的電路設(shè)計，本章將詳細(xì)闡述整個功能板的電路設(shè)計以及其中FPGA芯片的內(nèi)部邏輯設(shè)計。 　功能板電路設(shè)計LXI的核心板是一塊以ARM為處理核心的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式微處理器為AT91RM9200，該芯片融合了ARM920T核心并集成了許多標(biāo)準(zhǔn)接口控制器，同時為了提升其開發(fā)效率，該處理器還集成了包括JTAG和專用UART調(diào)試通道在內(nèi)的一系列調(diào)試功能。嵌入式微處理器與晶振電路、復(fù)位電路、存儲電路SDRAM和FLASH等組成一個基本的可運行的嵌入式系統(tǒng)。它與掃描開關(guān)功能電路通過EBI總線進(jìn)行。LXI功能電路主要由5大部分組成：FPGA與核心板的ARM接口、主控制器FPGA、模式控制繼電器組、開關(guān)量繼電器組、繼電器與外部節(jié)點接口。接下來將依據(jù)這5個最基本展開具體的電路設(shè)計。 　FPGA與核心板ARM接口設(shè)計LXI掃描開關(guān)功能板采用標(biāo)準(zhǔn)的96孔插座與LXI的96針插針相連。核心板的微處理器ARM通過該接口實現(xiàn)外部總線EBI與功能板FPGA的通信。其中包括16位地址線、16位數(shù)據(jù)線、讀寫控制信號線和片選線。ARM通過EBI總線向FPGA的寄存器中寫參數(shù)數(shù)據(jù)或者向FPGA發(fā)送使能信號。同時，核心板還能通過該96CON接口向FPGA發(fā)送一些額外的功能信號（暫時沒有使用），包括硬件復(fù)位信號，另外能夠向功能板輸出5V電壓、地。在核心板上，ARM的外部總線EBI會先接到LCX16245緩沖芯片。由于在ARM不向FPGA寫數(shù)據(jù)或者從FPGA讀數(shù)據(jù)時，需要將EBI總線置為三態(tài)，否則將導(dǎo)致ARM在向FPGA內(nèi)的寄存器寫數(shù)據(jù)或者從寄存器讀數(shù)據(jù)時發(fā)生錯誤。使用LCX16245緩沖芯片，并在ARM內(nèi)編寫控制該芯片的驅(qū)動。在ARM需要向FPGA內(nèi)寄存器寫或者讀數(shù)據(jù)之前打開LCX16245芯片。否則則關(guān)閉LCX16245芯片，將ARM于FPGA之間的通信總線置為三態(tài)，保證不會有錯誤數(shù)據(jù)的傳輸。 　繼電器排布設(shè)計和繼電器與外部接口設(shè)計LXI掃描開關(guān)模塊一共具有64個開關(guān)量繼電器。在設(shè)計時，一共將它們分為4組，平均每16個繼電器為一組。每個繼電器的左端或者右端閉合端分別與一路外部節(jié)點接口相連。而每一組繼電器的所有左端或者右端的公共端則彼此相連，并接至一路外部公共端口。模塊的前面板上設(shè)有兩個標(biāo)準(zhǔn)的78芯插座，用以實現(xiàn)繼電器與外部節(jié)點和外部數(shù)據(jù)采集或者信號獲取系統(tǒng)的連接。圖31 繼電器連接示意圖如圖31所示，每個繼電器具有左端常開（NO）觸點Hi和右端常開觸點Li，它們分別接至一個外部節(jié)點。所有開關(guān)量繼電器的常閉觸點NC端都懸空。圖為一組繼電器的連接示意圖，可以看見改組繼電器的所有左端都連至LeftCOM，所有右端都連至RightCOM。在使用時，被控制的繼電器逐一閉合，則相應(yīng)繼電器相連的外部節(jié)點則會逐一將自身的數(shù)據(jù)傳輸至公共端口。除了64個開關(guān)量繼電器，LXI掃描開關(guān)模塊還具有另外七個繼電器用以控制掃描方式的選擇。 圖32 掃描方式控制繼電器示意圖 如圖32所示，這七個掃描方式選擇繼電器在功能上也大體分為2大類。圖32上方的繼電器示意圖表示當(dāng)該繼電器閉合時，會將