【正文】 位置量獲取接口的引腳連接如表32所示。為了節(jié)省板上空間，兩種信號(hào)的物理接口為同一個(gè)DR9母口，采用同口復(fù)用的方式，通過板上跳線進(jìn)行通信模式的選擇。隨著外部位置傳感器的不同其通信方式及協(xié)議也會(huì)各有差異，綜合應(yīng)用模塊根據(jù)既定圖3 11 光柵、編碼器通信部分設(shè)計(jì)示意圖的兩種傳感器型號(hào)設(shè)計(jì)了位置信號(hào)的采集方案如示意圖311所示。外部電源的輸入由自鎖開關(guān)通斷，經(jīng)由肖特基整流二極管，防止操作失誤正負(fù)反接造成系統(tǒng)不可逆的損傷，以LED指示輸出電源是否正常。 綜合應(yīng)用模塊電路設(shè)計(jì)和聯(lián)調(diào)完成DSP和FPGA最小模塊的設(shè)計(jì)之后，還需要一個(gè)綜合應(yīng)用模塊來完成二者的連接和外圍功能擴(kuò)展，將三者聯(lián)系起來就構(gòu)成了整個(gè)數(shù)據(jù)采集卡的硬件部分。電路設(shè)計(jì)如圖39所示。 復(fù)位電路圖3 9 FPGA外部控制按鍵EP2C8Q208C8N提供豐富的外部觸發(fā)以對內(nèi)部邏輯和IO輸出進(jìn)行不同級(jí)別地整體控制。為了保證FPGA全資源運(yùn)行時(shí)能有足夠的功率供給，所以兩個(gè)電源適配芯片均有備份，且二者并聯(lián)。 （31）圖3 7 FPGA最小系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)，所以此處R5取為0Ω。為了節(jié)省板上空間，兩個(gè)芯片均為SOT223封裝，如圖37所示。三種方法的應(yīng)用只在軟件開發(fā)階段有所區(qū)別，硬件電路互不矛盾，通過QuartusII的設(shè)置就能很容易實(shí)現(xiàn)，為了更全面的掌握FPGA的開發(fā)，本系統(tǒng)兼具了AS和JTAG兩種接口，具體硬件電路設(shè)計(jì)如圖36所示。本系統(tǒng)選定的配置芯片EPCS4支持AS和基于JTAG兩種配置模式。 調(diào)試與配置接口圖3 6 FPGA的邏輯配置與硬件調(diào)試接口FPGA的邏輯輸入有兩個(gè)階段：燒寫（programme）和配置（configurate），前者是將調(diào)試完畢的邏輯燒寫到掉電不丟失的存儲(chǔ)器中，后者是上電后從非易失性存儲(chǔ)器中讀出邏輯形成特定的內(nèi)部硬件連接。FPGA的特點(diǎn)之一是邏輯配置掉電丟失，因此需要專用的邏輯存儲(chǔ)芯片來進(jìn)行上電配置。邏輯功能的開發(fā)方式靈活多樣，支持硬件描述語言VHDL/Verilog、原理圖等。表3 1 EP2C8Q208CN 的硬件資源邏輯單元 8256M4K RAM塊（4kb）36總比特?cái)?shù)1658881818乘法器18PLL2最多用戶I/O管腳數(shù)182差分通道77多達(dá)182個(gè)可配置的I/O口，可以很方便地用于并行接口擴(kuò)展，降低了DSP在接口通信方面的開銷；豐富的片上存儲(chǔ)資源支持多種應(yīng)用方式和數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)；支持單線和低電壓差分等多種I/O通信電平標(biāo)準(zhǔn)，、LVDS、RSDS、HSTL等近20種通信電平標(biāo)準(zhǔn)。 FPGA模塊電路設(shè)計(jì) FPGA及邏輯配置芯片選型EP2C8是Cyclone系列FPGA的第二代芯片，兼具了高集成度與低功耗特性。GPIO84~87引腳有內(nèi)部上拉，上電自動(dòng)使能，所以當(dāng)某引腳不焊接電阻時(shí)上電采樣為高電平，焊接對地電阻時(shí)為低電平。28335的BOOT MODE有15種，系統(tǒng)上電之初將GPIO84~87引腳的電平鎖存進(jìn)DSP內(nèi)部寄存器，然后根據(jù)其邏輯組合選擇不同的啟動(dòng)引導(dǎo)模式。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)生成200ms脈寬的方波低電平復(fù)位脈沖。同時(shí)，根據(jù)信號(hào)完整性理論[34]，信號(hào)在不均勻傳輸線中傳遞時(shí)會(huì)有一定能量比例的頻分量反射，而均勻傳輸線圖3 5 DSP最小系統(tǒng)模塊時(shí)鐘及復(fù)位電路的現(xiàn)實(shí)不存在性必然會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)由晶振到DSP的傳輸過程中存在一定的反射，所以本系統(tǒng)晶振的輸出串入一個(gè)低阻值的電阻R6，這樣可以有效衰減反射信號(hào)。雖然片上A/D模塊有參考電壓生成電路，但是易存在偏差，如圖34所示。 JTAG接口部分圖3 3 DSP最小系統(tǒng)模塊JTAG接口部分仿真/燒寫接口的設(shè)計(jì)如圖33所示，固定形式，關(guān)系到與DSP通信的成功與否，必須嚴(yán)格遵循芯片數(shù)據(jù)手冊的電路形式。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(hào)進(jìn)行有效區(qū)別。對于可調(diào)輸出端。DSP最小系統(tǒng)選用TPS767D301PWP為電源核心器件。 電源部分28xxx的數(shù)據(jù)手冊中有說明[25]，當(dāng)內(nèi)核電壓抖動(dòng)時(shí)其PLL時(shí)鐘輸出也不穩(wěn)定，可見平穩(wěn)的電源供給對保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性能具有很重要的作用。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(chǔ)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(hào)(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。圖3 1 數(shù)據(jù)采集控制卡功能構(gòu)成系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)EDA環(huán)境為Altium Designer[35]，AD為Protel系列的最新版本，在延續(xù)Protel系列電子電路設(shè)計(jì)軟件簡單易用、界面友好、功能全面等特點(diǎn)的同時(shí)，更加注意電路仿真、信號(hào)完整新分析、聯(lián)合開發(fā)、第三方文件的識(shí)別、庫設(shè)計(jì)方面的合理性升級(jí)，而且它增加的一些順應(yīng)現(xiàn)代電子電路最新成果的功能也使其時(shí)刻保持在廣大電路研發(fā)人員中的較高的認(rèn)可度與使用率，如FPGA的仿真、硬件描述語言與C語言的支持等。DSP和FPGA最小系統(tǒng)模塊都分別配有獨(dú)立的電源和時(shí)鐘電路，即使脫離綜合應(yīng)用模塊依然滿足基本的運(yùn)行配置。這些構(gòu)思將對后續(xù)的具體設(shè)計(jì)工作起到指導(dǎo)作用。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。 測控軟件功能需求測控軟件的架構(gòu)如圖21所示，根據(jù)背景項(xiàng)目需求，其功能可以細(xì)化為如下幾方面：（1）通過以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集控制卡通訊，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速傳輸；（2）嵌入式控制卡的初始化配置，測控任務(wù)的設(shè)置，適用于不同測試方案；（3）接收現(xiàn)場測控端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并加以顯示，顯示方式要包括曲線和列表；（4）測控任務(wù)啟動(dòng)與停止具有人工可操作性，可以兼顧多測控通道，且其配置獨(dú)立，可以對已有數(shù)據(jù)通道進(jìn)行刪減或設(shè)置；（5）測試配置文件要有獨(dú)立存儲(chǔ)格式，以便下次識(shí)別調(diào)用；（6）填寫測試報(bào)告相關(guān)信息，測試文件名，測試人員姓名，測試日期，測試摘要信息等，點(diǎn)擊確定后就可以在與測控卡通訊的同時(shí)，把需要保存的測試數(shù)據(jù)保存到文件數(shù)據(jù)庫中；（7）通過數(shù)據(jù)庫對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，在測控軟件通過相關(guān)命令能夠找到測試數(shù)據(jù)中任意測試文件，查看相關(guān)信息，以便對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析處理；（8）安全保護(hù)與故障診斷，通過安全邏輯判斷，對系統(tǒng)采取相應(yīng)的措施,如進(jìn)行急停、斷電等。文件型數(shù)據(jù)庫的基本結(jié)構(gòu)如圖24所示，與傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)對比如表21所示。 文件型數(shù)據(jù)庫測控卡通過以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，不僅要進(jìn)行快速地結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，并且要便于查詢，為將來對過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析調(diào)用提供便利，這就需要專業(yè)的數(shù)據(jù)管理工具。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(hào)、輸出控制信號(hào)、數(shù)據(jù)鎖存等，這樣就為系統(tǒng)升級(jí)、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)。FPGA最大特點(diǎn)是現(xiàn)場可編程，這就相當(dāng)于在一個(gè)芯片的尺寸空間內(nèi)擁有了可以任意變化的數(shù)據(jù)處理電路，而且速度級(jí)別都是硬件級(jí)的。圖2 3 測控卡的簡易架構(gòu)現(xiàn)代DSP技術(shù)不斷發(fā)展，不僅能提供優(yōu)越的數(shù)據(jù)處理性能，而且往往片上配有豐富的集成外設(shè)，方便了基于單片DSP擴(kuò)展多種控制功能。 數(shù)據(jù)采集控制卡的實(shí)現(xiàn)方案數(shù)據(jù)采集控制卡是系統(tǒng)測量與控制功能的實(shí)際執(zhí)行者，測控卡良好的可擴(kuò)展性可以為系統(tǒng)后續(xù)的升級(jí)提供廣闊的空間，而且測控卡可能會(huì)面臨強(qiáng)電磁干擾、高溫、強(qiáng)震動(dòng)、灰塵、靜電等復(fù)雜的工作環(huán)境，它的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體測控性能，因此是本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。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。同時(shí)從可靠性角度出發(fā)，我們應(yīng)該將已有的成熟的高速數(shù)據(jù)傳輸手段從可應(yīng)用性和兼容性方面考慮做出簡化并廣泛推廣。如果采用基于修改過的以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，則必須對底層硬件進(jìn)行修改，也就是說，不能利用我們常用的PC機(jī)，需要另向各總線標(biāo)準(zhǔn)支持商購買相應(yīng)的主從站硬件，不僅增大了開發(fā)成本和開發(fā)難度，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的通用性。為了適應(yīng)不同的實(shí)時(shí)性和成本要求，工業(yè)以太網(wǎng)對傳統(tǒng)以太網(wǎng)主要有如圖21所示的三種改進(jìn)方式[20][21]。 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。每個(gè)測控終端通過以太網(wǎng)通訊模塊擴(kuò)展以太網(wǎng)接口，由點(diǎn)及面，以上位主控機(jī)為中心拓?fù)涑梢粋€(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與測控終端的數(shù)據(jù)交互，滿足了大數(shù)據(jù)量與較高實(shí)時(shí)性的要求。 測控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)為了滿足系統(tǒng)多測控對象、大數(shù)據(jù)量的需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多終端與主控中心通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖21所示。第2章 測控系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案現(xiàn)代控制系統(tǒng)及各類工程測試實(shí)驗(yàn)中往往包含多個(gè)受控對象或監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，而且在大型系統(tǒng)中避免不了器件供應(yīng)商各異和年代差異大等情況，往往一個(gè)系統(tǒng)中會(huì)囊括紛繁多樣的通信媒介及協(xié)議，如果每個(gè)項(xiàng)目都針對性地開發(fā)一個(gè)專用的測控系統(tǒng)不僅加大了開發(fā)難度、延緩了開發(fā)周期，而且對也會(huì)對資金造成無謂的浪費(fèi)，因此開發(fā)一個(gè)兼容性強(qiáng)的通用測控平臺(tái)具有很高的實(shí)用價(jià)值。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(tái)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。第三章， 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分，包括DSP最小系統(tǒng)模塊、FPGA最小系統(tǒng)模塊和綜合應(yīng)用模塊在內(nèi)的數(shù)據(jù)測量控制卡和以太網(wǎng)通信模塊的主要芯片選型和具體電路設(shè)計(jì)、注意事項(xiàng)和調(diào)試方法及結(jié)果。論文的機(jī)構(gòu)安排為：第一章， 緒論部分，介紹本課題的背景以及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r。本課題的主要包括如下研究工作：（1）DSP、FPGA芯片和系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的調(diào)研、選型；（2）進(jìn)行DSP最小系統(tǒng)模塊卡、FPGA最小系統(tǒng)模塊卡、綜合應(yīng)用模塊、以太網(wǎng)通信模塊卡的設(shè)計(jì)，完成以上各硬件模塊的調(diào)試；（3）實(shí)現(xiàn)基于FPGA的各種測控功能；（4）基于DSP的測控端程序設(shè)計(jì)；（5）實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的搭建，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能；（6）設(shè)計(jì)上位機(jī)測控系統(tǒng)軟件平臺(tái)，主要包括測控系統(tǒng)操作界面、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)。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(tái)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(tái)的實(shí)現(xiàn)方案。網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)以其多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)化、易于開發(fā)的特點(diǎn)，已成為現(xiàn)代工控領(lǐng)域的總體發(fā)展趨勢。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，但是又缺乏與外界進(jìn)行安全高速數(shù)據(jù)交互的能力，本課題尋求了另外一種折中的解決方法，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和嵌入式控制系統(tǒng)之所長，實(shí)現(xiàn)了擁有網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互特點(diǎn)和嵌入式控制系統(tǒng)高實(shí)時(shí)性特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式控制系統(tǒng)。嵌入式控制系統(tǒng)的本質(zhì)是將控制環(huán)節(jié)與被控對象體系結(jié)構(gòu)融為一體，與傳統(tǒng)控制體系不盡相同，嵌入式控制系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是與受控對象的緊密聯(lián)系性，要求控制的智能化、可靠性、安全性。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。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷完善，基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)必將有更廣闊的應(yīng)用前景。遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)化在線測量與控制已經(jīng)得到多樣化的實(shí)現(xiàn)，測控系統(tǒng)逐步走向。同時(shí)其虛擬儀器產(chǎn)品也融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，很成功的踐行了網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的概念。美國國家儀器公司是專業(yè)從事的信號(hào)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。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀表，電子通信、傳感器、信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線等技術(shù)不斷取得的新成果很快應(yīng)用到虛擬儀器領(lǐng)域中，虛擬儀器技術(shù)融合網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)就形成了網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器技術(shù)[9]。虛擬儀器系統(tǒng)主要包括三大部分：測控功能軟件，高性能的模塊化硬件和集成協(xié)調(diào)軟硬件功能的平臺(tái)[12]。，實(shí)際上是一個(gè)形式靈活的結(jié)構(gòu)，將軟件與硬件進(jìn)行緊密結(jié)合，通過計(jì)算機(jī)控制硬件的測控模塊，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后根據(jù)用戶定義的測控功能進(jìn)行后續(xù)處理，實(shí)現(xiàn)了測量儀表的虛擬化，充分體現(xiàn)了“”的思想。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]。圖1 1測量儀器發(fā)展歷程示意圖模擬化儀器，儀器儀表內(nèi)的實(shí)現(xiàn)原理均基于模擬電子技術(shù)與理論，形式固定，升級(jí)成本高，使用不便，已經(jīng)逐漸被淘汰。在不斷發(fā)展的軍事科技和不斷增長的工業(yè)需求的推動(dòng)下，計(jì)算機(jī)、微電子、自動(dòng)化和通信技術(shù)等領(lǐng)域成果豐碩，這對測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能多樣化與性能的提升提供了強(qiáng)有力的支持。上世紀(jì)中后期誕生了以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的包括數(shù)字信號(hào)處理、自動(dòng)控制理論在內(nèi)的一批新興學(xué)科，隨著數(shù)字化信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類快速步入數(shù)字化時(shí)代。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。 Embedded control。control endpoints to carry out system test, the results show that system can perfectly fulfil the tasks got from the operators and meet the design aims and needs primely.Key words: Network。control card is DSP+FPGA. A industrialcontrol specialized f