基于LAN的高集成度數(shù)據(jù)采集設(shè)備研制
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軟件上利用DM642內(nèi)嵌的DSP/BIOS操作系統(tǒng)和NDK完成網(wǎng)絡(luò)控制;利用DSP/BIOS提供的多線程機制實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集通道的任務(wù)管理。實際應(yīng)用表明該設(shè)備設(shè)計合理，運行穩(wěn)定，滿足了實際要求。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/227563.htm0 引言
數(shù)據(jù)采集設(shè)備是測試系統(tǒng)中不可缺少的一部分，數(shù)據(jù)采集需要針對不同類型的需求，需要有高速A/D、低速A/D、數(shù)字多用表等功能，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備是用一種儀器進行一類測試，通過多種儀器組合實現(xiàn)一組完整測試，這種由多種儀器堆疊起來的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有體積和重量較大、成本較高、維護困難等諸多問題。針對這些問題，為完成某系列型號裝備自動測試任務(wù)，設(shè)計實現(xiàn)了一種高集成度數(shù)據(jù)采集設(shè)備。該設(shè)備需實現(xiàn)100 M高速A/D、雙通道隔離A/D、6通道低速A/D和數(shù)字多用表功能，采集數(shù)據(jù)通過LAN傳輸給上位機。輸入前端調(diào)理電路支持寬范圍多種信號輸入，并采用超寬輸入范圍的保護電路，實現(xiàn)設(shè)備通用性的同時保證其安全可靠。本設(shè)計采用DSP+FPGA架構(gòu)，利用DSP/BIOS實時操作系統(tǒng)，結(jié)合TI提供的NDK 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具包，選用高集成度芯片，在10 cm×18 cm面積上設(shè)計實現(xiàn)該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
1 總體設(shè)計
設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)備能夠接入到以太網(wǎng)中，并能夠被計算機遠程訪問。
計算機中網(wǎng)絡(luò)通訊程序控制設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集并讀取數(shù)據(jù)。整個設(shè)備以DSP+FPGA核心，包含高速A/D、低速隔離A/D、低速非隔離A/D和數(shù)字多用表。DSP選用TI公司主頻720 MHz、32 b定點高性能的TMS320DM642,DM642完成了網(wǎng)絡(luò)、主控功能。利用DM642的自帶的網(wǎng)絡(luò)功能接口，結(jié)合TI提供的網(wǎng)絡(luò)功能開發(fā)包(NDK)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能。采用DSP/BIOS實現(xiàn)分配調(diào)度線程、數(shù)據(jù)采集任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)控制傳輸任務(wù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集、存儲和網(wǎng)絡(luò)通訊的控制。FPGA選用Altera公司的CycloneⅢ系列低成本工業(yè)級的EP3C55F484I8,編寫接口邏輯實現(xiàn)與DM642的數(shù)據(jù)交互，編寫譯碼邏輯、高速A/D控制邏輯、低速A/D控制邏輯、數(shù)字多用表控制邏輯實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。
2 硬件設(shè)計
2.1 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計
TMS320DM642 自帶一個網(wǎng)絡(luò)功能接口，由EMAC控制模塊、EMAC 模塊和MDIO 模塊組成[4],符合IEEE802.3協(xié)議，在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)通訊接口時只需要外接一片網(wǎng)絡(luò)收發(fā)芯片即可，DM642的網(wǎng)絡(luò)功能模塊如圖2所示。
網(wǎng)絡(luò)收發(fā)芯片選用美國國家半導(dǎo)體公司推出的DP83640,其MII接口與DM642 的EMAC 接口直連，MII接口包括接收總線和發(fā)送總線，接收部分包括接收數(shù)據(jù)線RXD[30],接收錯誤標志RX_ER,接收數(shù)據(jù)有效標志RX_DV 和數(shù)據(jù)同步接收時鐘信號RX_CLK,當工作在10 Mb/s 時，RX_CLK 為2.5 MHz,工作在100 Mb/s 時，RX_CLK 為25 MHz.發(fā)送部分包含發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD[30],發(fā)送使能位TX_EN,和發(fā)送時鐘TX_CLK,同樣，時鐘可以為2.5 MHz或者25 MHz.另外，MII接口帶有沖突檢測信號COL,用于檢測在半雙工模式下發(fā)送和接收同時發(fā)生的情況。該芯片具有的IEEE1588功能方便日后設(shè)備升級時鐘同步功能。
2.2 A/D采集模塊設(shè)計
A/D 采集單元分為1 路高速采集和8 路低速采集兩部分，其中低速采集部分，分為2路隔離通道和6路非隔離通道，總圖框圖如圖3 所示。高速采集通道選用14 位的A/D6645,最高采樣率105 MSPS,并行輸出。低速采集通道選用24位的A/DS1278,單片并行8通道，最高采樣率144 KSPS,采用8 路串行輸出，同時采集8 路輸入信號。兩路隔離通道選用A/D215隔離運放。
兩路隔離通道輸入電壓范圍±380 V,輸入阻抗為10 MΩ，1 路高速通道和6 路非隔離通道前端均采用運放衰減，分別實現(xiàn)±5 V 和±40 V 電壓輸入范圍，高輸入阻抗和寬范圍電壓輸入范圍使該設(shè)備能夠適應(yīng)大部分被測系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)備的通用化。每通道前端采用壓敏電阻和自恢復(fù)保險絲設(shè)計寬范圍高可靠保護電路，保證設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性。
2.3 數(shù)字多用表模塊設(shè)計
該設(shè)備對數(shù)字多用表測量速度、精度要求不是很高，但要求電路板的體積盡可能的小，因此在數(shù)字多用表電路設(shè)計上，選用了MAXIM 公司生產(chǎn)的MAX134 作為測量的核心芯片。MAX134 是單片智能數(shù)字多用表專用芯片，在其外圍配置少量元器件，設(shè)計簡單的電路即可實現(xiàn)精度達到3位半的數(shù)字多用表。該設(shè)備的數(shù)字多用表功能框圖如圖4所示。采用繼電器實現(xiàn)功能切換;電阻分壓器實現(xiàn)0~400 V交、直流電壓輸入;0.1 Ω和1 Ω采樣電阻實現(xiàn)0~4 A交、直流電流轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入;AC/DC轉(zhuǎn)換模塊采用有效值轉(zhuǎn)換芯片A/D637,實現(xiàn)交流信號轉(zhuǎn)直流;參考穩(wěn)壓源提供電阻測試的參考電壓，實現(xiàn)0~40 MΩ 電阻測量;外圍元器件實現(xiàn)MAX134 正常工作所需的晶振、電源、濾波等功能。
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