多慣組脈沖輸出同步計(jì)數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為滿(mǎn)足某慣導(dǎo)設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家對(duì)多個(gè)慣組產(chǎn)品進(jìn)行同時(shí)測(cè)試的需求，設(shè)計(jì)了一種對(duì)于多路脈沖信號(hào)同步計(jì)數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)。(方法)測(cè)試系統(tǒng)以FPGA芯片和USB芯片CY68013為核心，對(duì)4個(gè)慣導(dǎo)組件輸出的48路脈沖信號(hào)，每路進(jìn)行無(wú)縫計(jì)數(shù)，每4ms為一個(gè)計(jì)數(shù)單元。并利用USB總線(xiàn)將每一個(gè)計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)值上傳到測(cè)控計(jì)算機(jī)，上位機(jī)程序進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理、保存和顯示。(方法)測(cè)試系統(tǒng)滿(mǎn)足了對(duì)多個(gè)慣組產(chǎn)品同時(shí)測(cè)試的要求，提高了測(cè)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(jì)組合而成。慣組產(chǎn)品工作時(shí)直接輸出脈沖信號(hào)。測(cè)試過(guò)程采用專(zhuān)用測(cè)試平臺(tái)，將產(chǎn)品固定在帶溫箱的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)在不同的溫度下改變轉(zhuǎn)臺(tái)的位置和速率，由測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再對(duì)計(jì)數(shù)值根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)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(gè)溫度點(diǎn)下，對(duì)其進(jìn)行多次測(cè)試。而每個(gè)溫度點(diǎn)需要4個(gè)小時(shí)的保溫。因而完成一個(gè)產(chǎn)品的標(biāo)定，一般需要三天左右的時(shí)間才能完成。針對(duì)這種情況，本文提出了一種多慣組同時(shí)測(cè)量的方案，利用FPGA對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集，再通過(guò)USB總線(xiàn)把采的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)歸算。與傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)可以對(duì)4個(gè)慣導(dǎo)組件的48路脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行同步計(jì)數(shù)并輸出，進(jìn)而有效地縮短測(cè)試周期，提高測(cè)試效率。

1 測(cè)試系統(tǒng)組成
多慣組脈沖測(cè)試系統(tǒng)是由下位機(jī)和上位機(jī)兩個(gè)部分構(gòu)成。下位機(jī)由FPGA和USB接口電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)的接收。上位機(jī)是MFC程序設(shè)計(jì)的界面，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理、顯示和保存。由于本系統(tǒng)是同時(shí)接收4套慣組48路脈沖信號(hào)，所包含的計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)多，計(jì)數(shù)頻率高，并且分別對(duì)48路信號(hào)獨(dú)立測(cè)量，要求較高的可靠性，所以系統(tǒng)采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)控制邏輯及計(jì)數(shù)模塊的功能。系統(tǒng)選用Altera公司的Cyclone IIEP2C89208C8N型號(hào)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(guò)Verilog語(yǔ)言對(duì)48路同步計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)48路脈沖信號(hào)的同步計(jì)數(shù)，將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB芯片CY68013發(fā)送到PC機(jī)，由PC機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)是由無(wú)縫計(jì)數(shù)器，每隔4ms向48路計(jì)數(shù)模塊發(fā)送相應(yīng)的地址，獲得48路脈沖計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)值，再通過(guò)USB總線(xiàn)把數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)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(lái)進(jìn)行端口FIFO的讀寫(xiě)，其優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是傳輸速度有限；Slave FIFOs模式是使用外部芯片的邏輯來(lái)直接操作端口FIFO，其優(yōu)點(diǎn)是端口FIFO操作靈活，缺點(diǎn)是傳輸速度依賴(lài)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(hào)來(lái)進(jìn)行端口FIFO的讀寫(xiě)，其優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度最高，缺點(diǎn)是讀寫(xiě)邏輯單一，不容易靈活控制。因?yàn)槭菍?duì)48路脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣計(jì)數(shù)，且每一路脈沖信號(hào)采用一個(gè)16位計(jì)數(shù)器，采樣周期為4毫秒，即每秒要采集250次。但在實(shí)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(shí)間內(nèi)有時(shí)會(huì)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(huì)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(guò)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(hào)的效率與可靠性。由于GPIF模式下的編輯波形只能進(jìn)行讀寫(xiě)操作，而在Slave FIFOs的模式下?tīng)顟B(tài)機(jī)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)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(jì)
2．1 48路脈沖計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的48路脈沖計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)是通過(guò)使用Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)的16位計(jì)數(shù)器，可以對(duì)慣導(dǎo)組件輸出的信號(hào)分別進(jìn)行不間斷計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值讀取過(guò)程不影響計(jì)數(shù)器的正常計(jì)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(gè)脈沖輸入通道的地址，data_out[15…0]是計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)值輸出。