星載電子設(shè)備多余物數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)尺寸較大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的星栽電子設(shè)備的多余物自動(dòng)檢測，設(shè)計(jì)了以EZ-USB FX2和CPLD芯片為核心器件的數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)了四通道的同步數(shù)據(jù)采集和傳輸。此系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)緩存以及數(shù)據(jù)控制和傳輸，分別采用了采樣率為500 k的12位A／D轉(zhuǎn)換器件AD7892、16 kx18位的FIFO CY7C4265、EPM7064和USB芯片CY7C68013。重點(diǎn)介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)，包括USB的固件程序、CPLD的控制程序和主機(jī)用戶程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能達(dá)到穩(wěn)定傳輸速度為15．4 MB／s，保證了四通道同時(shí)以500 k的采樣率工作的穩(wěn)定性和正確性。
關(guān)鍵詞：多余物；電子設(shè)備；USB；CPLD；CY7C68013

星載電子設(shè)備是航天電子系統(tǒng)中不可缺少的電氣部分，直接影響著航天電子系統(tǒng)的可靠性。多余物是影響電子設(shè)備可靠性的主要因素之一。多余物是指在電子設(shè)備生產(chǎn)、制造、封裝及使用過程中在其密封腔體內(nèi)部殘留或產(chǎn)生的各種金屬或非金屬顆粒。在航天設(shè)備工作過程中，外部沖擊或振動(dòng)使多余物游離隨機(jī)運(yùn)動(dòng)碰撞，可能導(dǎo)致電子設(shè)備內(nèi)部器件誤動(dòng)作或失效，甚至造成航天事故，是亟待解決的重大問題。
微粒碰撞噪聲檢測法(Particle Impact Noise Detection，PIND)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種多余物檢測方法。目前，元器件級(jí)(如繼電器)的PIND方法已經(jīng)被列入我國軍事工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)保證我國應(yīng)用于航天型號(hào)中軍用電子元器件有無多余物起到了重要的作用。相對(duì)于電子元器件，電子設(shè)備的尺寸更大、重量更重、內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，由于電子設(shè)備和電子元器件在諸多方面的差異，使得電子元器件的PIND方法無法適用于電子設(shè)備。針對(duì)電子設(shè)備這樣系統(tǒng)級(jí)的多余物檢測方法，還沒有標(biāo)準(zhǔn)可循，相關(guān)的研究還處于探索階段。
數(shù)據(jù)采集技術(shù)是多余物檢測系統(tǒng)中一個(gè)極為重要的信息處理環(huán)節(jié)，考慮到利用各通道數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，采用同步實(shí)時(shí)的多通道信號(hào)采集技術(shù)，可為自動(dòng)判別多余物的存在與否提供了較為豐富的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)有多種方式，USB支持主機(jī)與各種即插即用的外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，支持不同速率的同步和異步傳輸方式，理想的最高傳輸速率可達(dá)480 Mb／s，具有傳輸數(shù)率高和便攜等特點(diǎn)。USB設(shè)備應(yīng)用于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集是非常合適的，已逐漸取代各種傳統(tǒng)的設(shè)備(如RS232、PCI設(shè)備等)，在實(shí)際中應(yīng)用更加方便。目前，市場上現(xiàn)有的USB數(shù)據(jù)采集卡較多，但成本較高、非同步采集和傳輸靈活性差等缺點(diǎn)。
本文是在星載電子設(shè)備的多余物檢測系統(tǒng)的需求下，依據(jù)電子設(shè)備尺寸更大、重量更重、內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜以及多余物信號(hào)的頻率特性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了采樣速率為500 k的四通道同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連續(xù)采集系統(tǒng)，采用USB傳輸方式。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)是將輸入的四路模擬信號(hào)通過前端的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換器件AD7892轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)量，經(jīng)過外部FIFO(先進(jìn)先出)CY7C4265的緩存，將采集到的數(shù)據(jù)有序且快速地傳輸至USB控制器CY7C68013，再將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行分析和處理。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出采集數(shù)據(jù)控制命令后，經(jīng)CY7C68013分析，通知邏輯控制芯片EPM7064對(duì)A／D和外部FIFO進(jìn)行初始化，并啟動(dòng)A／D開始采集數(shù)據(jù)。四通道數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊以及數(shù)據(jù)控制和傳輸模塊組成。
2．1 數(shù)據(jù)采集模塊
前端的模擬信號(hào)量通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波、整形，再經(jīng)過電壓跟隨電路將信號(hào)傳送至AD7892轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。AD7892是一款高速、低功耗、12位轉(zhuǎn)換精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，內(nèi)部集成電壓跟蹤保持器和過電壓保護(hù)電路。AD7892由外部電源系統(tǒng)提供5 V的采樣參考電壓，外部邏輯控制器件CPLD提供500 k的采樣頻率，可采集-5～+5 V的模擬量。由此得到可輸入的最小模擬電壓：1 LSB=10 V／4 096=2．44 mV。
2．2 數(shù)據(jù)緩存模塊
系統(tǒng)為四通道連續(xù)且同步采集，每一次采集的數(shù)據(jù)量較大，而只有一個(gè)USB控制器，必須設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)緩存模塊。數(shù)據(jù)緩存芯片采用了Cypr-ess公司的16 Kx18位的FIFO CY7C4265芯片。此芯片是一款高速、低功耗CMOS時(shí)鐘存儲(chǔ)器，它的讀寫端口使用同步接口，每一個(gè)端口的時(shí)鐘都是相互獨(dú)立的，這些時(shí)鐘可以是同步，也可以是異步州。這使得FIFO的讀寫端口能以不同的速度運(yùn)行，其寫時(shí)鐘端口與AD7892的采樣保持同步，保證了數(shù)據(jù)的不丟失。

2．3 數(shù)據(jù)控制和傳輸模塊
EZ—USB FX2系列芯片CY7C68013簡化結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該芯片支持USB2．0規(guī)范，同時(shí)向下兼容USB1．1規(guī)范的單片機(jī)。該芯片把USB2．0收發(fā)器、串行接口引擎SIE、增強(qiáng)的8051內(nèi)核、GPIF等集成于一體，內(nèi)含4 kB的FIFO(端點(diǎn)緩沖區(qū))，可配置為不同大小緩沖區(qū)的IN或OUT端點(diǎn)(EP2、EP4、EP6、EP8)，具有USB協(xié)議的4種傳輸方式，即控制方式、中斷方式、批量方式和同步傳輸方式。Cypress公司為用戶使用FX2提供了較為完善的軟件開發(fā)工具包，降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度。

FX2可配置成3種不同的接口模式，即Ports、GPIFMaster和Slave FIFO模式。在Slave FIFO模式下，F(xiàn)IFO[1：0]引腳作為地址線選擇4個(gè)端點(diǎn)FIFO中的一個(gè)與FD總線連接，SLCS相當(dāng)于片選信號(hào)。Slave FIFO模式又分為異步方式和同步方式的傳輸。在異步方式下，SLRD和SLWR是讀／寫選通信號(hào)；同步方式下，SLRD和SLWR作為IFCLK時(shí)鐘引腳的使能信號(hào)。Slave FIFO模式是將FX2的FIFO作為外部控制器(CPLD或MCU)的從屬FIFO，外部控制器可像對(duì)普通FIFO一樣對(duì)FX2的FIFO進(jìn)行讀寫。USB在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不考慮包的大小，可以明顯提高效率，加快了開發(fā)的進(jìn)度。本系統(tǒng)采用了Slave FIFO模式的異步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。