（精密仪器及机械专业论文）船舶振动数据采集监测网络系统的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 随着社会的发展和科学技术的进步，现代社会对测量仪器的需求越来越广， 对仪器的性能要求也越来越高。在迅速发展的集成电路技术和计算机技术的推动 f ，测量仪器也f 在发生巨大的变化。检测系统在具备实时检测能力的基础上， 行i _ f j 符，蕾度口动化、智能化、柔性化方向发展。 脱代运输, l k 9 c 2 其足海洋运输业的发展，使得船舶这个交通工具在现代化的生 产l ，起着举足轻重的作用，船舶振动噪声的监控成为船舶、i p 向自种顾利发展的一个 关键。微电子技术和集成电路制造技术的发展，特别是现场可编程逻辑器件 ( c p l d f p g a ) 的应用和发展，为检测控制系统的设计应用提供了方便。本文 就址f 1 这f f ：f t , j 背景卜- ，提出了对船舶上的回转机械进行振动测量的方法。 小处川系统采用x f lj x 公司生产的x c 9 5 0 0 系列的芯片x c 9 5 2 8 8 x l 作为核心 i 引牛。通过对船舶振动系统的分析，构建了一整套系统。包括前端加速度传感器 n 0 眦科、信号的滤波放大、直至最后的a d 数据采集和存储。采用“自顶向下” 的改汁技术，可以暂不考虑细节性的设汁，加快了设计周期，减少了成水。 本试验只是做一些前期工作，对总体设计提出了一个思路，并对部分章节进 行九筻计。 火键洲：检测系统册f j f l 振动c p l d f p g a 数据采集 a b s t r a c t a o n gw i f ht h es o c i a ld e v e l o p m e n ta n dt e c h n i c a la d v a n c e m e n ti n s ( j _ r i c e , m o d e r ns o c i e t yn e e dt h em e a s u r e d i n s t r u m e n tm o r ea n d m o r ew i d e l y , a n dr e q u e s tt h ei n st r u m e nt a lf u n c ；i o nm o r ea n dm o r eh i g h l y u n d e rt h e q “ c kd e v e o p m e n to ft h ei n t e g r a t e dc i y c u i ta n dt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h em e a s u r e dl n s t r u m e n t st a k ep l a c ee n o r m o u s l y b a s e do nt h er e a l r i m e e x 硼l n a t f o n , t h ee x a m l n a t l o f ls y s t e m h a v e a n e w d i r e e t l o n l l 7 d i c a t e d b y h i g h j il l e l o n h i g h nt e i g e n c ba n dh i g ha g int y m e d e v e o p m e n to fm o d e r nt r a n s p o r t a t i o ne s p e c i a l l 、 ocean zi r a s p e r l t a t i o nm a k e ss h i pa c ta ni m p o r t a n tf u n c t l o n t h em o n l t o ta n d l 1 ) a t l o s ls e m ，t b o u ts h i p l i b r a i f o nb e c o m e sa k e y f o rs m 0 0 t h l vd e v e j o pj n g ( j m h l , t ! 、f h od e v c l o p m e n c0 fg i c r o e e c t z j o nic s t e c h l n q u e a n d 7 “，f ，? ，t ，( ( 。“，f ，o s d l ，“甜，lz h e ，a p p l f l a f l 0 1 7e lf ，op e o g l w # 1 1 1 b l 2 l o g i c l l l 、jll 1 s ( 7 t 一f j 娃，a ) p f l o v f t i e sac o n v e n l e n c et o rz h ed e s i g no it h e 埘o n l t e l i n7 , c f i | t 1 | s 、h t p l j j b d e z ls u c hb a c k g z l o l i n d t h i st e x tp u t f o r w a r d t h e m ez f l o d e li l l l lc f t ifr i gt h e 、“r no v e l lm n c f l i m 、0 1 1t h es h i p s j m lsc o n t r e lf v s t e mh a sac o r ep a 7 1 ta t ix c 9 5 0 0w ht c hl ap z l e d t c t e d v l 疗掣￥i n xc o # ) _ p a r t y s e fu pat h ew h o l e ，s e o fs y s t e m6 f8 n a 玎gf h es h i p fi b “( ) n 。w h l c hi n c l u d e st h e ，h e a da c c e e r n t l o nc o n ，i g u r a t f o n 。s g n a f 。? ，t pc f a ac o l e c l o na n d d ar as k 7r e f o r s i g n a l ，t s i n g t h ete c f i n o o 眵l 1 。“pf c ) d e w , 1 7j w t c k l nl a k en oa c c o l l ngo ft h ed e t a l l sa b o u tourd e s i g n s , r i l ll 1t a nq t l i d 。k “( p s g nt h es v s t e r a , a n dr e & l e et h ec o s t j jh i se x p e l l m e 、nli sj u s tt od os o m ep r o p h a s ew o r k s , a n d p u t sf o r s ，盆r d l h a y t ot h et o t azd e s i g n a n d p r o c e e d st h ed e s i g ni np a r t so f c h a p t e z s k e yw o r d s ：t h ee x a m i n a t i o ns y s t e m s h i pv i b r a t i o nc p l d f p g ad at ac o i l e ct i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰。；过的研究成果，也不包含为获得垂盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 j 位论文f 1 二者签名：7 王把走签宁h 期： 工。咕年，月亨 学位论文版权使用授权书 小。学f j 沦文竹：者完全了解盘壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授仪苤盗盘堂u j 。以将学位沦文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权蜕明) 学位论文作者签名：圣j | ：求冀文导师签名 亨么 签字h 期：年，月亨日 签字日期：加3 年，1 月工乡日 天津人学研究生论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着社会的发展和科学技术的进步，现代社会对测量仪器的需求越来越广， 对仪器的性能要求也越来越高。在迅速发展集成电路技术和计算机技术的推动 f ，测量仪器也正在发生巨大的变化。检测系统在具备实时检测能力的基础上， 并且朝着高度自动化、智能化、柔性化方向发展。 现代运输业尤其是海洋运输业的发展，使得船舶这个交通工具在现代化的生 产中起着举足轻重的作用，船舶振动噪声的监控成为船舶业向前顺利发展的一个 关键。微电子技术和集成电路制造技术的发展，特别是现场可编程逻辑器件 ( c p l d f p g a ) 的应用和发展，为检测控制系统的设计应用提供了方便。本文 就足存这样的背景下，提出了对船舶上的回转机械进行振动测量的方法。 前：可编程逻辑器件出现之前，以前的硬件工程师们在设计一个新的系统时， 总址要把f 乜路设计的各个细节都必须考虑到。因为一旦硬件线路板做成之后，其 基本功能电就固定了，如果有一个地方设计错了，那么整个线路板也就不能再用 了。这肖定会加长系统的研制周期，而且会浪费很多资源。现场可编程逻辑器件 的出现，使得硬件工程师们的设计工作变得非常容易轻松，实现了“自顶向下” 的设计方式。系统做成之后，可以很容易的通过改变可编程逻辑器件的内部功能 术满足不同的需要，这无疑提高了系统的灵活性。 1 。2 系统设计方案的提出 鉴于对船舶振动系统模型还不能够提供更为详细的参数，而且目前国内对这 力而的研究还处于个刚刚开始的阶段，所以我们只能给出这个系统的一个大致 幔j 掣。本系统初步准备以国标和航行试验的测试分析结果为依据，综合考虑国内 的制造和工艺水平，同时考虑各型设备在船上所处的位置等级，( 一般可分为4 等) ，在一个适当的区域内进行振动情况监控，同时根据工程经验公式得出的估 算方法，初步预报船舶水下辐射噪声。并和航行试验的测量结果以及国标的基准 进行比较，当超出一定的警戒值时，给出警报。 本系统以c p l d 为设计的核心，也是考虑到由于系统尚处于完善阶段，有可 能随时更改系统。使用了c p l d 后在一定范围和程度上，我们还可以使用现有的 系统来完成变化了的设计任务。这中间我们不需要做更多的工作，只需我们按照 要求重新下载更新程序就可以了，这完全得益于c p l d 的特点。可以毫不夸张 天津人学研究生论文 第一章绪论 的说，c p l d 能完成任何数字器件的功能，上至高性能的c p u ，下至简单的7 4 电 路，都可以用c p l d 来实现。c p l d 就好像一张白纸或是一堆积木，工程师可以通 过相应的设计工具设计出自己需要的i c ，而且通过软件仿真，还可以实现验证 设计的诈确性。在线路板完成后，还可以利用c p l d 的在线调试能力，随时修改 设计而不必改动硬件电路。使用c p l d 来开发数字电路，可以大大缩短设计周期， 减少p c b 板面积，提高了系统的可靠性o ”o “。 考虑到船舶上设备分布情况的复杂性以及不同设备间的差异，本监测系统拟 采用总线加星型的拓扑结构。其中，总线标准选用c a n ( c o n t r o la r e a n e t w o r k ) 。 对1 ：前端的振动传感器采用电荷放大与程控放大相结合的方式，如图1 1 所示。 传感器输出信号经电荷放大和程控放大后进行滤波，送后续电路。并对传感器设 旨丌机自检功能，在程序放大部分可由计算机调整放大倍数。在系统中8 路为一 个单元，共有3 个单元( 2 4 只传感器) 。 图1 1 传感器输出信号经模拟放大电路、滤波、程控放大器后由a d 转换电路转换 成为数字信号进入d s p 系统，如图1 2 所示。 尉邳旧一i 在系统中，d s p 主要进行8 路采集数据的加权处理和f f t 变换运算，并将变 换后的信号按3 1 个频段分组( 在1 0 一i o k h z 范围内，l o ，1 2 5 ，1 6 ，2 0 ，2 5 ， 天津人学研究生论文第一章绪论 3 1 5 ，4 0 ，5 0 ，6 3 ，8 0 ，1 0 0 ，1 2 5 ，1 6 0 ，2 0 0 ，2 5 0 ，3 1 5 ，4 0 0 ，5 0 0 ，6 3 0 ，8 0 0 ， 1 0 0 0 ，1 2 5 0 ，1 6 0 0 ，2 0 0 0 ，2 5 0 0 ，3 1 5 0 ，4 0 0 0 ，5 0 0 0 ，6 3 0 0 ，8 0 0 0 ，1 0 0 0 0 共3 1 个倍频程) ，处理后的数据存入静态r a m 然后打包送到c a n 总线模块，以上的步 骤由c p l d 和微处理器进行统一协调。本系统拟采用l o 位a d ，8 路同时采样， 每次连续采样8 点，采样频率为5 0 k h z 。 在网络结构方面，采用工业控制局域网c a n 总线。第一层采用光纤连接计算 机插卡和程控交换机，第二层在程控交换机与各传感器单元之间用双绞线进行通 讯。如图1 _ 3 所示。 图1 3 在系统中，使用3 个程控交换机，其中，程控交换机1 下带有两个单元，由 单元l 、2 之间的竞争可扩展到i 2 个单元；程控交换机2 下有一个单元，程控交 换机1 、2 之间的竞争可扩展到n 个交换机；在程控交换机3 下引入外部环境控 制。本系统节点扩展简单，方便，互不影响。如图1 4 所示。通过扩展程控交换 机的方式进行扩展，系统走线少，易于管理。 图1 4 天津人学研究生论文第一章绪论 1 3 本文的主要工作 本文的研究工作是在课题组的重点项目“船舶振动实时监控网络系统”的基 础上提出来的。根据船舶振动监控的要求，在理论和实践上对数据的前端采集和 数据传输进行了深入的研究。主要进行了以下工作： 1 据船舶振动的有关指标，提出了振动系统测量的硬件实现方案。 2 建了以c p l d 为核心的前端数据采集和传输系统。使得前端采集到的 数据能够及时存入存储器，并在响应高端d s p 处理芯片的信号后将数据传 给高端系统。 3 对测试系统的要求，对c p l d 内部的组合逻辑电路进行了设计。并对设计 结果进行了部分验证。 4 f i l l 端单片机内部的程序进行了部分编程。 4 天津大学研究生论文第二章基于c p l d 的船舶振动数据采集的硬件实现及原理 第二章基于c p l d 的船舶振动数据采集的硬件实现及原理 鉴于目前航空领域内，飞机机内的振动噪声的监控尚采用了示波器这可靠 而又传统的检测仪器，且前根据国外的船舶的发展，噪声振动已经是一个不可忽 略的问题，而且可以根据噪声振动的谱特性来诊断船舶的设备运行特性。目前在 我国的船舶上，安装噪声振动实时监控网络系统。可以实现如下的目的： 1 能实时检测本船舶的振动噪声性能，噪声振动谱，实现对船舶典型航态 的声场特性预报。 2 可以根据试航时的原始数据，实时监控目前船舶的各类主机附机的运行 情况。为实时发现故障提供可靠的依据。 振动监测的实现方式，基于国内外的测试技术的发展主流为自动检测和内部 愉测( a t fa u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t 和b i tb u i l d j nt e s t ) 。在船舶内安装 传感器，来检测船舶内的振动情况和耐压壳外的白噪声情况，来综合分析船舶目 自u 的声学性能。 2 1 系统的整体设计方案 鉴j 二船舶结构的复杂性，其各部位的声学性能不一致，可采用多点采集，部 分合成处理的物理结构。 控制网络采用现场总线技术，根据国际电工委员会i e c s c 6 5 c 的定义，安装 在制造或过程区域的现场设备与控制室内的自控装置之间的数字式、串行和多点 通汛的数据总线称为现场总线，以现场总线为基础形成的网络集成式全分御控制 系统称为现场总线控制系统( f c s ) 。 硬件结构示意图见图2 1 ，采用目前比较成熟的基于c a n 总线网络测控技术， 艘件构架基于总线技术。主要考虑传感器布置的合理性，综合采用有限元机理， 能够做到以点代面，目前只打算采用加速度传感器，进行数值积分，得到速度值。 声纳部位的水汀器可以采集声纳部位的白噪声信息，提供给中央处理单元。鉴于 传感器的灵敏度的考虑，信号采集的进行适配，以满足信号的有效性。 通过安置在设备上的振动传感器获取测量信号；信号调理电路进行放大和滤 波：a d 转换电路转换为数字信号，存入输入数据缓存器；d s p 将数据进行处理 并按照要求的格式将结果存入输出数据缓存器，然后发送到总线上( 产生总线竞 争时可重发) ，以上的步骤由c p l d 和微处理器进行统一协调。数据通过现场总线 传输给中央计算机，按规定格式保存在数据库：相应的分析软件实现对机械设备 的振动信号分析，在线监测软件实时显示分析曲线和数据：并根据给定的门限值， 天津人学研究生论文第二章基于c p l d 的船舶振动数据采集的硬件实现及原理 进行报警或其它提示。 日历时钟 p c f 8 5 8 3 电源模块 i2 c b u s 同步启动信号 单片机。 p i c l 8 f 2 4 8 c a n 接口 m c p 2 5 5 1 i2 c b u s d s p t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 河丽可 c p l d x c 9 5 1 4 4 r a m ( 2 片) c y 7 c 1 0 2 l v 3 3 a b id dc 程控放大器 放大器、滤波 同步启动信号 程控放大器 放大器、滤波 传感器i 图2 1 单元内部工作原理图 2 2 前端数据采集系统的实现 2 2 1 传感器的配置 传感器8 众所周知，一个好的测量系统如果没有合适的传感器与之配套，肯定得不到 准确的结果。下面是实际应用中的技术条件： 1 设备转速：6 0 0 r p m 3 0 0 0 r p m ： 2 工作环境温度：一4 0 8 0 度； 3 现场提供直流2 4 v 电源： 4 回转体加速度的范围是o 0 0 0 1 9 - - 1 0 9 。频率范围是1 0 h z - - 1 0 k h z ； 6 酷苗 天津大学研究生论文第二章基于c p l d 的船舶振动数据采集的硬件实现及原理 根据以上提供的技术参数，拟采用p c bp i e z o t r o n i c s 公司的加速度传感( 此 种传感器由另一方提供) 。此种传感器( 内至i c p ) 无论从使用的温度范围还是 测量的精度都足以满足我们的需要，它具有如下的一些参数：n 4 3 测量范围5 0 9 ； 频率范围( + _ 3 d b ) 一0 2 7 h z 至i o k h z ； 建立时间4 s e e ； 温度范围一6 5 ( 3 至+ 2 5 0 c ： 灵敏度( 2 0 ) 1 0 0 m y g ；图2 2 加速度传感器外形图 在实际使用中从传感器引出两根线，一个是地线，另一个是供电电源和信号 输出公用的一根线。这种传感器的供电接线图如图2 3 所示。 图2 3 传感器供电原理图 s i g n a l g r o u n d 上图是传感器供电的原理图，元件d 是恒流二极管( 2 - 4 m a ) ，电源为1 8 v 到 3 0 v 的直流电源，s i g n a l 端为普通电容或胆电容( 3 0 u f - - 4 0 u f ) 。 2 2 2 信号的滤波放大 经过给传感器供直流电力，从传感器的信号端输出的将是脉动的信号( 幅值 在5 v 之间) 。由于每一个测点对应的振动范围是不同的，所以在应用中使用了 两级放大器。考虑到传感器传输导线的长度在1 0 米以内，输出电压要求在3 0 m v 3 3 v 内，前一级放大器用l m 3 2 4 构成，对输入的振动信号进行带通滤波，同时 对输入的信号进行电平的平移，使其满足后面a d 数据采集的需要。电路中后一 级放大器采用程控放大器a d 5 2 6 ，它的放大倍数控制端直接与p i c 单片机相连， 通过程序控制可以实现1 、2 、4 、8 、1 6 的放大倍数，通过两片芯片级联如果使 天津大学研究生论文 第= 章基于c p l d 的船舶振动数据采集的硬件实现及原理 用工业级的芯片放大倍数的误差可控制在千分之一以下。同时a d 5 2 6 受温度的影 响很小，其典型值是0 5 p p m 。c ，可以满足工业现场的精度要求。 a d 5 2 6 的典型接线原理图如右图2 4 竺 所示，a 2 、a 1 、a 0 为放大倍数控制端， ” c s 和c l k 为控制方式端，接成如图所示 可以使a d 5 2 6 工作在“透明模式”( 它的 另一种工作模式是“锁存模式) ，使得放 大器的增益真接由a 2 、a l 、a o 控制，在 般的数据采集系统中可以提供9 6 d b 的 动态范围，满足一般系统的需要。s 级 芯片适用的温度范围也很宽，典型值是 一5 5 到+ 1 2 5 。 2 2 3 信号的采集 - v i 图2 4a d 5 2 6 典型接线图 时面的信号经过滤波放大，必须经过a d 采集才能够产生我们所需的数据。 根拭_ ! ：应用系统的要求，拟采用m i c r o c h i p 公司的p i c l 8 f 系列单片机，它本身具 有a d 转换模块。p i c l 8 f 系列单片机是m i c r o c h i p 公司在2 0 0 2 年新推出的一款 高性能、内部有增强型f l a s h 的单片机。在本设计系统中，有以下的设计要求： 1 8 路采样保持电路，8 选1 模拟开关和1 0 位a d ； 2 转换灵敏度5 m y 位，转换速度满足上述要求； 3 采样问隔2 0 秒，采样时间为8 ( 转) 周期； 4 研制3 组，l 组针对8 个放大电路，可获取8 个传感器的同一时刻信号： 单片机内部的a d 转换部分的模拟输入模型如图2 5 所示。 图2 5 模拟输入模型 图中各个符号的意义如下： 1 c p i n - - 输入电容 c h o l o = 1 2 0o f 天津大学研究生论文第二章基于c p l d 的船舶振动数据采集的硬件实现及原理 2 v t 一一门限电平 3 i l e a k a g e 漏电流 4 r - c - 一一内部互连阻抗 5 c h o l d 采保电容 为了达到a d 转换所提出的精度，模拟通道的充电电容c h o l d 的电压必须充 到应有的电压，信号源的内阻r s 和内部的采样开关电阻r s s 直接影响到充电时间 的大小，而采样开关电阻r s s 还会随着芯片电压v d d 的变化而变化。由于漏电流 的存在，信号源的内阻会影响到输入偏压的大小。我们推荐的最大信号源内阻是 2 5 kq ，有一点我们需要注意，当a d 转换开始时采保电容已经和模拟输入引脚 断j i 了。在c h o l d = 1 2 0 p f 、r s = 2 5 k 、v d d = s v 、r s s = 7 k 时，如果采用6 m h z 的晶体振 荡器，可以算出进行一次a d 转换的时间约需2 0 u s ( 转换时间需要1 2 个t a d ，且t a d 由控制字选择为1 6 u s ) 。 a d 转换的参考电压可以通过软件编程选择单片机的正负电源，或是选择芯 片的引脚r a 3 a n 3 v r e f 一和r a 2 a n 2 v r e f 一。单片的a d 有一个独一无二的特色， z j 以仃竹片机处j 二休眠状态时转换。为了达到这个目的，a d 的转换时钟必须是 从内部a d 的r c 振荡器分来的( a d 转换可以使用外部晶振的时钟，还可以使 用内部a d 自带的r c 振荡器) 。a d 部分的模块图如图2 6 所示“。 图2 6a d 模块 a n 4 a n 3 a n 2 a n l a n 0 p i c 单片机除了完成a d 采集工作之外，还对采集的信号进行一定的数字滤 波措施，比较典型的是中值滤波，可以消除一些噪声信号的干扰，提高系统的可 靠性。同时，p i c 单片机还接受来自主任务机的程控信号，合理配置前端的程控 9 天津大学研究生论文第二章基于c p l d 的船舶振动数据采集的硬件实现及原理 放大器，而且将日历时钟芯片传来的时间基准一块传送给存储器。 2 3 与高层d s p 的数据传输 我们前边所作的一切工作都是为了得到有用的数据信号，只有这时我们才能 够对其进行一些有意的分析。在此我们使用了t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 和x i l i n x 公司的9 5 系列的c p l d 芯片，搭建了数据的传输和处理系统。这两种 芯片都具有很强的功能，在系统中处于重要位置。在下一章节，我们将着重于 c ) l d 设计的研究工作。 2 4 日历时钟芯片的配置 如前所述，所取得的振动信号必须是在同一时刻的振动信号，只有这样上位 机埘所采集的振动信号的分析才有意义。在本设计系统中拟采用飞利浦公司的f i f 仂时钟芯片p c f 8 5 8 3 。 2 4 1 芯片简介 p c f 8 5 8 3 是飞利浦公司的f 历时钟芯片，它的工作电压在2 j v 到6 v 之问， 卜带柯j j c 总线接口。此芯片的内部有2 5 6 字节的r a m ，并可通过内部地址寄存 器埘这2 5 6 个存储单元进行寻址。这种寻址是通过读写数据字节后，地址寄存器 自动加一实现的。 地址引脚a 0 是用来进行硬件设计而设计的，通过a o 我们可以很容易的在 i - l 总线上挂接两个日历芯片，而不需要额外的硬件设计。芯片内部的3 2 7 6 8 k h z 的晶振电路和r a m 存储区的头8 个字节使用来实现日历功能的。紧接着的8 个 r a m 可被编程为报警寄存器或存储单元，其余的2 4 0 个r a m 是自由存储区。p c f 8 5 8 3 的电气特性下表2 1 所示。 表2 1 电气特性 符号参数条件最小典型最大 单位 v d d d 电电k i 工作 2 56 ov ( 操作模式) 12 c 停止1 o6 ov i d d 供电电i ；f f s c l = l o o k2 0 0u a ( 操作摸式) i d d o 供电电流 e s c l = o h z ，v d d = 5 v l o5 0u a ( 时钟模式) f s c l = o h z ，v d d = i v 2i 0u a t a m p 工作温度 - 4 0+ 8 5 i o 天津人学研究生论文第二章基于c p l d 的船舶振动数据采集的硬件实现及原理 2 4 2 芯片的功能说明 同历时钟芯片p c f 8 5 8 3 的内部功能如图2 7 所示。 图2 ，7p c f 8 5 8 3 内部模块图 其引脚功能和引脚图分别如表2 2 和图2 8 所示。 表2 2 引脚说明 符号 引脚说明 o s c i1 时钟输入，5 0 h z 或事件输入 o s c o2 时钟输出 a o3 地址输入 v s s4 负电源 s d a 0 串行数据线 s ( ：i 6 串行时钟线 i n t7 开路门中断输出，低有效 v d d8 正电源 图2 8p c f 8 5 8 3 引脚外形图 天津大学珂f 究生论文 第二章基于c p l d 的船舶振动数据采集的硬件实现及原理 在实际的使用过程中，由于配置有电池供电，可作为r a m 的保护电源，故 2 5 6 字节的r a m 可视为非易失性r a m 。它有4 年日历时钟，2 4 或1 2 小时格式， 时基可以是3 2 7 6 8 k h z 或5 0 h z ，同时具有可编程的闹钟、定时和中断功能。 在本系统中通过日历芯片和p i c 单片机间的1 2 c 总线将时间数据一并传给上位 机，以完成其分析功能。p c f 8 5 8 3 与p i c i s f 2 4 8 接口电路如图2 9 所示。s d a 和 s c l 两个引脚必须外接上拉电阻。 2 5 本章小结 图2 9p c f 8 5 8 3 与p i c l 8 f 2 4 8 接口电路 本章主要是对数据采集的各个环节进行了一下介绍，同时对其中的主要芯 片的功能也作了一个简要的说明。最后，提出了整个船舶振动测控系统的网络结 构。同时从系统的拓扑结构上可以看出，本系统有很大的扩充性，以满足实际的 需要。 天津人学研究生论文第三章c p l d 在系统中的作用和设计 第三章c p l d 在系统中的作用和设计 随着可编程逻辑器件应用的日益广泛，许多i c 制造厂家涉足p l d f p g a 领域。 h 时世界上有十几家生产c p l d 序p g a 的公司，最大的三家是：x i l i n x ，a l t e r a ， l a t t i c e ，其中x i l i n x 和a l t e r a 占有了6 0 以上的市场份额”“。 3 1p l d 厂商简介 x 泛i 鬻x 。 f p g a 的发明者，老牌p l d 公司，是最大可编程逻辑 器件供应商之一。产品种类较全，主要有：x c 9 5 0 0 4 0 0 0 ，s p a r t a n ，v i r t e x 等。 丌发软件为f o u n d a t i o n 和i s e 。全球的p l d f p g a 产品中大约有6 0 以上是由 期l i n x 和a l t e r a 提供的。可以讲x 订i n x 和a l t e r a 共同决定了p l d 技术的发 胜方向，足发计工程师们首选的两家公司。 左遵亘显i ! ；0 受 九十年代以后发展很快，是最大可编程逻辑器件供应 商之一。主要产品有：m a x 3 0 0 0 7 0 0 0 ，f l e x l o k ，a p e x 2 0 k ，a c e x l k ，s t r a t i x ，c y c l o n e 等。开发软件为m a x p l u s i i 和q u a r t u s i i 。其开发工具一m a x p l u s i i 是比较成功 的p l d 丌发平台之一，配合使用a 1 t e r a 公司提供的免费o e mh d l 综合工具可以 达到较高的效率。 l a 就i c e ? i 器甓g 甜船” i s p 技术的发明者。它的发明极大促进了p l d 产品的发 展，与x i l i n x 和a 1 t e r a 相比，其开发工具比x i l i n x 和a 1 t e r a 略逊筹。中 小规模p l d 比较有特色，不过其大规模p l d 、f p g a 的竞争力还不够强1 9 9 9 年 推出r j ，编程模拟器件。9 9 年收购v a n t i s ( 原a m d 子公司) ，成为第三大可编程逻 辑器件供应商。2 0 0 1 年1 2 月收购a g e r e 公司( 原l u c e n t 微电子部) 的f p g a 部 i 、j 。主要产品有i s p l s l 2 0 0 0 5 0 0 0 8 0 0 0 ，m a c h 4 5 ，i s p m a c h 4 0 0 0 等 阴c t e i 。一咖领张一脚凹 抗辐射，耐高低温，功耗低，速度快，所以在军品和宇航级上有较大优势。x i l i n x 和a l t e r a 则一般不涉足军品和宇航级市场。 天津人学研究生论立第三章c p l d 在系统中的作用和设计 p l d f p g a 不是c y p r e s s ( 赛普拉斯半导体公司) 的最 主要业务，但有一定的用户群。日前宣布开始提供世界上最大的复杂可编程逻辑 器件d e l t a 3 9 k 2 0 0 。 这是我们大家都非常熟悉的家公司，5 l 系列的单片 机8 9 c 5 1 就是该公司的产品。可编程逻辑器件不是a t m e l 的主要业务， a t m e l 也做了一些与x 订i n x 和a 1 t e r a 兼容的片子，但在品质上与原厂家还是有一些 差距，在高可靠性产品中使用较少，多用在低端产品上。 专业的p l d f p g a 公司，以一次性反熔丝工艺为主，有 姥集成硬核的f p g a 比较有特色，但总体上在中国地区销售量不大。它提供的 j i ：发软件1 j 具是q l i c k w o r k s 和v t i d ls i m u l a t o r 。 主要特点是有不少用于通讯领域的专用i p 核，但 p 【，d f p g a 不是l u c e n t 的主要业务，在中国地区使用的人很少。2 0 0 0 年l u c e n t 的半导体部独立出来并更名为a g e r e 。2 0 0 1 年1 2 月a g e r e 公司的f p g a 部门被 l a “jc e 收购。 美国w s i 公舌生产p s d ( 单片机可编程外围芯片) 产品。这是一种特 殊的p i ，d ，如最新的p s d 8 x x ，p s d 9 x x ，集成了p l d ，e p r o m ，f l a s h ，并支持i s p ( 在线 缡氍) ，价格偏贵一点，但集成度高，主要用于配合单片机工作。 c 1 e a r l o g i c 公吾 生产与一些著名p l d f p g a 大公司兼容的芯片，这种芯 片可将用户的设计一次性固化，不可编程，批量生产时的成本较低。但由于大部 分用户对其品质不放心，并且担心失去大公司的技术支持，所以使用者很少。 在我们的产品设计中还是主要使用x i l i n x 公司的产品，不但不用担心货源 问题，还可以得到强大的技术支持，这些都是我们在设计中应该注意的问题。 3 2c p l d 的结构 各公司的c p l d 器件的结构大致一样，都是以宏单元m c ( m a c r o c e l l ) 为基础， 加上与或阵列，另加上i 0 ( i t ob l o c k ) 模块构成的。对于x i l i n x 公司的x c 9 5 0 0 系列的c p l d 器件有如下图3 i 所示的结构。 i o 功能块提供信号输入、输出的缓冲，每一个f b ( 逻辑功能块) 提供可编程 天津大学研究生论文第三章c p l d 在系统中的作甩瓤设计 的3 6 个输入和1 8 个输出的能力，内部的f a s t c o n n e c ts w i t c hm a t r i x ( 快速互 连开关矩阵) 连接f b 的输出和外部输入信号至f b 的输入。对于每一个f b 块，有 1 8 个输出连同输出使能信号一块直接驱动i o 模块。 注：逻辑功能块的输出可以直接驱动u o 输出块( 圄中租实线所示) 图3 1x c 9 5 0 0 的体系结构 如图3 2 所示，对于每一个f b ( 功能块) ，是由1 8 个独立的宏单元构成，每 个宏单元实现一定的组合和寄存功能。如前所述，f b 块也接受全局时钟、输出 使能、以及置位复位信号。f b 块产生1 8 个直接驱动快速开关矩阵的输出信号， 这1 8 个输出信号和相应的输出使能信号也同时驱动i o 模块。 f b 块内部的逻辑功能是使用一系列乘积项实现的。从互连开关矩阵来的3 6 灭津大学研究生论文第三章c p l d 在系统中的作用和设计 个输入信号提供7 2 个真与补的信号，这些信号进入可编程的与阵列形成9 0 个乘 积项。这些乘积项都可以通过乘积分配器分配至每一个宏单元。 每一个f b 功能块都提供本地反馈线路，使得f b 的输出不用离开本功能块就 可以直接驱动可编程的与阵列，因此可以提供很快的速度，这些在设计快速计数 器时是很有用的。 图3 2 功能块f b 的结构 如图3 3 所示是x c 9 5 0 0 功能块内宏单元的结构原理图。 。”7 【t 。u ob i 口c k s p t o ej 图3 3 宏单元结构图 从与阵列来的5 个乘积项作为乘积项分配单元的主要输入，用来实现组合逻 1 6 天津大学研究生论文第三章c p l d 在系统中的作用和设计 辑功能、控制时钟的选择端、置位复位端、或者使输出使能。宏单元里的寄存器 可以配置成d 型或t 型触发器，在进行组合逻辑设计时还可以被旁路掉，每个 寄存器都支持异步复位和置位操作。 所有的全局信号，包括时钟、置位、复位、输出使能信号，适用于每个宏单 元。如图3 4 所示，宏单元寄存器的时钟输入端可以来自3 个全局时钟，或是来 自乘积项。g c k 的真和补信号都连到了芯片内部，g s r 信号输入端允许用户把 寄存器设置成所需要的状态。 i 埘g s r 臣 i ，。? g c k l s d 厂r r m a c r o c e l j 图3 4 宏单元的全局时钟 乘积项分配器控制5 个 直接输入端怎样连接到每一 个宏单元。如图3 5 所示， 所有的5 个直接输入端驱动 同个或门。 不仅如此，乘积项分配 器还可以重新分配功能块内 p r c d u c t r e r a i i o c a t o r 二 毫 li 二二卜- _ jii 。 二= ) _ j 图3 5 使用直接乘积项的宏单元 其它的乘积项，以提高一个宏单元的逻辑能力。任何一个宏单元如果需要的乘积 1 7 天津人学w 究生论文 第三章c p l d 在系统中的作用和设计 项多于5 个，就可以使用其余未被使用其它宏单元里的乘积项，此时只是增加了 一个小延时t p t a 。使用1 5 个乘积项的原理图如图3 6 所示。 图3 6 使用l j 个乘积项的乘积项分配器 在f b 内多个宏单元之间使用乘积项分配器的原理图如图3 7 所示，在这里 增加的延时是2 个t p t a 。如果一个宏单元使用了所有的9 0 个乘积项，那么附加 的最大延时应是8 个t l ，i 。 ； i i ；罩 | 曩 图3 7 在不同的宏单元间使用乘积项分配器 乘积项分配器的内部逻辑结构如图3 8 所示。 l-声可；poid。亨=跏嚣 女e芒互_暮。；：h 蜚 天津大学研究生论文第三章c p l d 在系统中的作用和设计 f 箍尝2 臂。跪寰瞄 a i i o c a s 坩 雁 卜仁 l r 、 p p f 。d d t * m s * 卜、 r ，小 7 ， 。胡 厂i - 蛰删udterrncbck h r 厂 l 一 一p r o d u c tt e m l r 髓h p _ 7 f 。一。- j 卜一 厂 pr o d u c 1 m l o eh 卜一 图3 8 乘积项分配器 灭矩阵是芯片内的个重要组成部分，它把输入信号连接到功能块的输入 端。如图3 9 所不，所有的1 0 模块和f b 模块的输出共同连接到丌关矩阵。 图3 9 开关矩阵 o 模块是连接内部逻辑电路和外部芯片引脚的接口。如图3 1 0 所示，每一 天津大学研究生论文 第三章c p l d 在系统中的作用和设计 个l o 模块包括一个输入缓冲、输出驱动、输出使能的多路选择开关、以及用户 可编程的接地控制端。输入缓冲器是与标准的5 vc m o s 、5 vt t l 、3 3 v 信号 电平兼容的。输入缓冲器使用内部的5 v 供电电压v c c , m ，以确保输入电压不会 随着外部变化而变化。输出使能信号可以从以下之一选择：从宏单元来的乘积项 信号、4 个全局使能信号输入。从图中可以看出，全局信号的真与补都连到了芯 片里。 t o o h l e t m l a c r o e e l s 3 3c p l d 的性能特点 图3 1 01 0 模块 x c 9 5 0 0 系列的c p l d 是高速的复杂可编程逻辑器件，与f p g a ( 现场可编 程门阵列) 相比较，具有容易使用、时序可预测和速度高等优点，同时c p l d 的i 0 天津大学研究生论文 第三章c p l d 在系统中的作用和设计 更多，尺寸更小。如今，通信系统使用的标准很多，必须根据客户的需要配置 设备以支持不同的标准。c p l d 可让设备做出相应的调整以支持多种协议，并随 着标准和协议的演变而改变功能。这为系统设计人员带来很大的方便，因为在标 准尚未完全成熟之前他们就可以着手进行硬件设计，然后再修改代码以满足最终 标准的要求。c p l d 的速度和延迟特性比纯软件方案更好，它的n r e 费用( 集成 电路研制的费用) 低于a s i c ，更灵活，产品也可以更快入市。c p l d 可编程方案 的优点如下“： 1 逻辑和存储器资源丰富； 2带冗于路由资源的灵活时序模型； 3提供单片c p l d 的可编程p h y 方案； 4 i o 数目较多，可用于复杂逻辑设计； 5 改变引脚输出很灵活： 6 采用先进的5 vf a s t f l a s hc m o s 工艺； 7 具有可保证性能的集成存储器控制逻辑： 8具有住系统可编程能力( i s p ) ，适合所有电平和温度； 由于有这些优点，设计建模成本低，可在设计过程中的任一阶段添加设计或 改变引脚输出。c p l d 属于控制密集型逻辑器件，它的集中式的结构使其具有等 延时的特点，适合于做组合逻辑设计。 9 5 系列的c p l d 提供最少1 0 0 0 0 次的可再编程能力，它所同时具