多慣組脈沖輸出同步計數(shù)系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為滿足某慣導(dǎo)設(shè)備生產(chǎn)廠家對多個慣組產(chǎn)品進行同時測試的需求，設(shè)計了一種對于多路脈沖信號同步計數(shù)的測試系統(tǒng)。(方法)測試系統(tǒng)以FPGA芯片和USB芯片CY68013為核心，對4個慣導(dǎo)組件輸出的48路脈沖信號，每路進行無縫計數(shù)，每4ms為一個計數(shù)單元。并利用USB總線將每一個計數(shù)單元的計數(shù)值上傳到測控計算機，上位機程序進行實時的處理、保存和顯示。(方法)測試系統(tǒng)滿足了對多個慣組產(chǎn)品同時測試的要求，提高了測試效率。
關(guān)鍵字：慣導(dǎo)組件；USB；CY68013；FPGA

慣組產(chǎn)品是現(xiàn)代慣導(dǎo)系統(tǒng)最核心的信息源，由陀螺儀和加速度計組合而成。慣組產(chǎn)品工作時直接輸出脈沖信號。測試過程采用專用測試平臺，將產(chǎn)品固定在帶溫箱的三軸轉(zhuǎn)臺上，通過在不同的溫度下改變轉(zhuǎn)臺的位置和速率，由測試系統(tǒng)對其輸出的脈沖信號進行計數(shù)，再對計數(shù)值根據(jù)數(shù)學(xué)模型進行處理，從而得到慣組產(chǎn)品的性能參數(shù)。由于溫度是影響慣導(dǎo)組件的主要因素之一，所以需要在多個溫度點下，對其進行多次測試。而每個溫度點需要4個小時的保溫。因而完成一個產(chǎn)品的標(biāo)定，一般需要三天左右的時間才能完成。針對這種情況，本文提出了一種多慣組同時測量的方案，利用FPGA對脈沖信號進行采集，再通過USB總線把采的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機上進行數(shù)據(jù)歸算。與傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)可以對4個慣導(dǎo)組件的48路脈沖數(shù)據(jù)進行同步計數(shù)并輸出，進而有效地縮短測試周期，提高測試效率。

1 測試系統(tǒng)組成
多慣組脈沖測試系統(tǒng)是由下位機和上位機兩個部分構(gòu)成。下位機由FPGA和USB接口電路組成，實現(xiàn)對脈沖信號的計數(shù)和數(shù)據(jù)的接收。上位機是MFC程序設(shè)計的界面，對接收到的數(shù)據(jù)進行實時的處理、顯示和保存。由于本系統(tǒng)是同時接收4套慣組48路脈沖信號，所包含的計數(shù)器個數(shù)多，計數(shù)頻率高，并且分別對48路信號獨立測量，要求較高的可靠性，所以系統(tǒng)采用FPGA來實現(xiàn)控制邏輯及計數(shù)模塊的功能。系統(tǒng)選用Altera公司的Cyclone IIEP2C89208C8N型號的FPGA芯片。在數(shù)據(jù)傳輸方面，選用Cypress公司的FX2LP CY68013芯片作為USB傳輸模塊。采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。

在圖1中，通過Verilog語言對48路同步計數(shù)模塊進行設(shè)計，實現(xiàn)對48路脈沖信號的同步計數(shù)，將接收到的數(shù)據(jù)通過USB芯片CY68013發(fā)送到PC機，由PC機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，脈沖信號的計數(shù)是由無縫計數(shù)器，每隔4ms向48路計數(shù)模塊發(fā)送相應(yīng)的地址，獲得48路脈沖計數(shù)模塊的計數(shù)值，再通過USB總線把數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機上。
FX2LP CY68013芯片有PORTS、Slave FIFOs和GPIF三種接口方式：PORTS模式以CY68013自帶的8051核來進行端口FIFO的讀寫，其優(yōu)點是開發(fā)簡單，缺點是傳輸速度有限；Slave FIFOs模式是使用外部芯片的邏輯來直接操作端口FIFO，其優(yōu)點是端口FIFO操作靈活，缺點是傳輸速度依賴于外部控制邏輯的速度；GPIF模式是使用波形編輯工具生成的波形信號來進行端口FIFO的讀寫，其優(yōu)點是傳輸速度最高，缺點是讀寫邏輯單一，不容易靈活控制。因為是對48路脈沖信號進行實時采樣計數(shù)，且每一路脈沖信號采用一個16位計數(shù)器，采樣周期為4毫秒，即每秒要采集250次。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)，在PORTS模式下，由于8051內(nèi)核執(zhí)行速度有限，在極短的中斷時間內(nèi)有時會不能完成其數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)娜蝿?wù)，此種狀態(tài)下USB端就會出現(xiàn)死循環(huán)狀態(tài)。但在Slave FIFO或CPIF模式下，傳輸和接收的端口將不經(jīng)過8051內(nèi)核干涉即可同片外高速互傳數(shù)據(jù)，從而提高接收發(fā)送串行信號的效率與可靠性。由于GPIF模式下的編輯波形只能進行讀寫操作，而在Slave FIFOs的模式下狀態(tài)機可以對數(shù)據(jù)進行簡單的處理。因此，本系統(tǒng)使用Slave FIFOs的傳輸模式。

2 系統(tǒng)的FPGA設(shè)計
2．1 48路脈沖計數(shù)模塊設(shè)計
系統(tǒng)的48路脈沖計數(shù)模塊設(shè)計是通過使用Verilog語言編寫的16位計數(shù)器，可以對慣導(dǎo)組件輸出的信號分別進行不間斷計數(shù)，計數(shù)值讀取過程不影響計數(shù)器的正常計數(shù)，該模塊data_in[47…0]是48路慣導(dǎo)組件的脈沖輸入，add_in [6…0]是每個脈沖輸入通道的地址，data_out[15…0]是計數(shù)單元的計數(shù)值輸出。