單片機(jī)與CPCI總線的脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
在工業(yè)控制領(lǐng)域，通常有大量的脈沖信號(hào)用于控制其他設(shè)備或部件的開(kāi)關(guān)或者工作狀態(tài)切換。這些脈沖信號(hào)除了常規(guī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用的+5 V接口電平外，還有+12 V、+30 V，乃至更高幅度的接口電平，通常為功率型電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本文提出了一種兩級(jí)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，給出了在較寬的范圍內(nèi)兼容不同接口電平的脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用標(biāo)準(zhǔn)CPCI總線接口設(shè)計(jì)，具有良好的兼容性和擴(kuò)展性，適用于產(chǎn)品功能測(cè)試或系統(tǒng)集成測(cè)試。

1 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)
如圖1所示，測(cè)試系統(tǒng)采用二級(jí)(主控機(jī)、下位機(jī))結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由主控計(jì)算機(jī)(即主控機(jī))、測(cè)試客戶機(jī)(即下位機(jī))、局域網(wǎng)、電纜及運(yùn)行于各設(shè)備中的測(cè)試軟件共同構(gòu)成。主控計(jì)算機(jī)屬主控機(jī)一級(jí)，控制測(cè)試客戶機(jī)，測(cè)試任務(wù)由主控計(jì)算機(jī)控制完成。測(cè)試客戶機(jī)控制其對(duì)應(yīng)的測(cè)試設(shè)備可獨(dú)立完成設(shè)備級(jí)的功能測(cè)試。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)對(duì)被測(cè)設(shè)備施加激勵(lì)信號(hào)并檢測(cè)其響應(yīng)輸出的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)沒(méi)備的閉環(huán)測(cè)試。

脈沖信號(hào)檢測(cè)板是工作于測(cè)試客戶機(jī)中的測(cè)試板卡，其主要功能是接收80路外部脈沖信號(hào)，測(cè)量并記錄每路脈沖信號(hào)的脈沖寬度及收到脈沖的時(shí)間。

2 脈沖信號(hào)檢測(cè)板實(shí)現(xiàn)方案
2．1 總體設(shè)計(jì)
脈沖信號(hào)特性為：脈沖持續(xù)時(shí)間為80～500 ms，偏差為±10 ms；驅(qū)動(dòng)電流不小于200 mA。在產(chǎn)品功能測(cè)試及系統(tǒng)集成測(cè)試階段，主要考核脈沖信號(hào)功能的正確性，故脈沖信號(hào)檢測(cè)板用于檢測(cè)脈沖信號(hào)的發(fā)生時(shí)間及脈沖持續(xù)寬度，要求測(cè)量誤差不大于±1ms。
如圖2所示，脈沖信號(hào)檢測(cè)板的核心部分包括光耦接口電路、接口處理FPGA、單片機(jī)系統(tǒng)和PCI接口電路。板卡采用標(biāo)準(zhǔn)的6U尺寸CPCI板卡設(shè)計(jì)，兼容標(biāo)準(zhǔn)6U尺寸的CPCI工控機(jī)。

檢測(cè)板內(nèi)部主要數(shù)據(jù)流向及處理流程為：80路脈沖信號(hào)通過(guò)光電耦合器(光耦)進(jìn)行隔離變換，轉(zhuǎn)換成檢測(cè)板內(nèi)部5 V電平信號(hào)；接口處理FPGA對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，并將80路脈沖采樣數(shù)據(jù)組幀緩存；單片機(jī)讀取FPGA中的采樣數(shù)據(jù)，并判斷是否檢測(cè)到有效脈沖信號(hào)，將檢測(cè)到的脈沖信號(hào)打上當(dāng)前時(shí)間標(biāo)簽后發(fā)送給雙口RAM；工控機(jī)軟件通過(guò)CPCI總線定期訪問(wèn)雙口RAM，讀取數(shù)據(jù)。
2．2 脈沖信號(hào)接口
被測(cè)脈沖信號(hào)為功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)功率負(fù)載，驅(qū)動(dòng)電流通常為幾mA至幾百mA，采用集電極開(kāi)路門(mén)(OC)形式輸出，通常為+12～+30 V信號(hào)。為了兼容多種信號(hào)電平，并能隔離功率型信號(hào)與普通基帶電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)較好的電磁兼容性，本系統(tǒng)采用光電耦合器作為信號(hào)隔離與電平轉(zhuǎn)換的接口器件。
TLP121是東芝公司生產(chǎn)的光電耦合器，隔離阻抗為MΩ級(jí)，其前向驅(qū)動(dòng)電流(IF)最大為20 mA，后端開(kāi)關(guān)開(kāi)啟和閉合時(shí)間均為μs級(jí)，可以滿足本系統(tǒng)對(duì)測(cè)量誤差不大于1 ms的要求。輸入接口電阻設(shè)為可調(diào)電阻，可適應(yīng)不同輸入電壓。

脈沖信號(hào)接口電路如圖3所示。脈沖信號(hào)正線和回線連接至光耦的前端(圖3中TLP121的1、3引腳)，后端(圖3中TLP121的4、6引腳)采用板內(nèi)5V電源上拉，通過(guò)施密特電路74HC14整形后發(fā)送至接口處理FPGA。當(dāng)脈沖信號(hào)有效時(shí)，光耦前端有電流流過(guò)，接口電路輸出高電平“1”；脈沖信號(hào)無(wú)效時(shí)，接口電路輸出低電平“0”。