（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp技术pci总线的泄漏检测系统研究与开发.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济的发展，工业技术的进步，各行业中对产品的气密性要求越来 越高。以批量生产为特征的工业产品的密封性，是一项与产品质量密切相关的技 术指标。在泄漏检测设备已经广泛应用于各种领域的情况下，国内在泄漏检测设 备的精度和可靠性上与国外技术相比还有差距。 近几年，人工智能技术在理论和实际应用等方面都已出现了很多研究成果， 在泄漏检测中，充分利用这些技术，把对系统误差的自我校正、数据采集等方面 有机结合起来，减小环境对检测结果的影响，从而提高检测系统的精度。本文研 究的主要目的在于产品泄漏量的测量、检测精度和可靠性的提高，开发出环境适 应性强、性价比高的泄漏检测系统。 本文建立了气体泄漏检测的数学仿真模型，通过仿真清楚地了解到测试过程 中密闭容器内的压力和温度的变化情况以及测试参数的差异对差压大小的影响。 在第三章介绍了系统的总体设计方案，实现该检测系统的硬件平台。第四章详细 介绍了系统各硬件部分的设计，包括检测系统的气动回路设计，以t i 公司的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心处理器的数据采集卡设计，p c i 总线通信接口设计与实现， c p l d 的逻辑控制功能的实现。第五章介绍了系统各部分软件设计，主要包括p c i 设备的驱动程序，d s p 和c p l d 的程序和上位p c 机的应用程序。第六章对全文 做了总结，提出了对本检测系统的改进意见和研究方向。 关键词：气密性，泄漏检测，仿真，d s p ，p c i 通信，w d m 驱动 v 上簿大学坝士学位论文 a b s t r a ct w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h en a t i o n a le c o n o m ya n di n d u s t r i a lt e c h n o l o g y ，s om a n y i n d u s t r i e sr e q u e s th i g h q u a l i t yi na i rt i g h t n e s sp r o d u c t s a i rt i g h t n e s so fp r o d u c t si sa s p e c i f i c a t i o nw h i c hh a sc l o s er e l a t i o n s h i pw i t hp r o d u c tq u a l i t y l e a kd e t e c t i o n e q u i p m e n th a sa p p l i e dw i d e l yi nv a r i o u sf i e l d s ，b u td o m e s t i cl e a kd e t e c t i o ne q u i p m e n t h a sd i s a d v a n t a g ei np r e c i s i o na n d r e l i a b i l i t yc o m p a r e dw i t hf o r e i g nt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，t h e r eh a v eb e e nal o to fr e s e a r c hr e s u l t si nt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a l a p p l i c a t i o no fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g y i m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fd e t e c t i o n s y s t e mb ym e a n so fm a k ef u l lu s eo ft h o s et e c h n o l o g i e s ，c o m b i n ew i t hs e l f - c o r r e c t i o n o fs y s t e me r r o ra n dd a t aa c q u i s i t i o n ，r e d u c et h ei m p a c to fe n v i r o n m e n t a lt ot h et e s t r e s u l t si nl e a kd e t e c t i o nt e c h n o l o g y a i rt i g h t n e s sd e t e c t i o no fp r o d u c t sa n di m p r o v i n g p r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yi sm o s ti m p o r t a n tp u r p o s eo ft h i sp a p e r d e v e l o pak i n do fh i g h c o s t e f f e c t i v ea n de n v i r o n m e n ta d a p t a b i l i t yl e a kd e t e c t i o ns y s t e m t h i s p a p e r e s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h el e a kd e t e c t i o n s y s t e m a n a l y s i st h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ed e t e c t i n gp r o c e s s ，i tc l e a r l ys h o w st h a t t h ec h a n g e so ft h ep r e s s u r ea n dt h et e m p e r a t u r eo ft h ei n n e ra i r t i g h tc o n t a i n e r sa n d t h o s ed i f f e r e n c e so fm e a s u r e dp a r a m e t e r sh a v ei n f l u e n c eo nd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e i n c h a p t e rt h r e e ，i td e s i g n ss y s t e ms c h e m ei nd e t a i l s i nc h a p t e rf o u r ，i td e s i g n sa n d r e a l i z e st h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ed e v i c e ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fp n e u m a t i c c i r c u i t ，d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc o r ed a t aa c q u i s i t i o nc a r db a s e do nt m s 3 2 0 f 2 812 ， d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fp c ib u sc o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c e ，t h ec p l dl o g i cc o n t r 0 1 i n c h a p t e rf i v e ，t h es o r w a r eo f e a c hp a r to ft h es y s t e mi sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ed r i v e ro f p c id e v i c e ，t h es o f t w a r e o fd s pa n dc p l ds y s t e ma n da p p l i c a t i o np r o g r a m ，w h i c h r u n so nc o m p u t e r i nc h a p t e rs i x ，i ts u m m a r i z e sa l la b o v et op o i n t so u ts o m ea d v i c e s k e y w o r d s ：a i rt i g h t n e s s ，l e a kd e t e c t i o n ，s i m u l a t i o n ，d s p ，p c ic o m m u n i c a t i o n ， w d md r i v e r v i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 遍拿日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名a 进导师签名： o 5 2 8 暑 ( 2 7 ) 二0 5 2 8 只 上海大学硕士学位论文 其中a 和b 是常数 肚志= o m 9 肚c 南，刘志一o 蝴3 式中：七：比热比，对于空气而言，k = 1 4 ； 足：充( 放) 气通道面积( m 2 ) ； 只：测试压力( 尸4 ) 。 如果检测件的漏孔比较大，在检测过程中，我们人为很容易地就可以判断，没 有必要再用专门的检测仪器进行泄漏检测。因此，本文主要是对一些较小的泄漏进 行检测研究。 假设在环境温度为2 5 c 、环境压力为一个标准大气压下即0 1 m p a ，容器内的泄 漏小孔面积为0 0 1m m 2 的情况下，气体泄漏的质量流量模型如下： g：丁9。32只1|眨毛罨吁。1i 【 2 3 4 2 p , x l o 一1 k cn岳。净朴oouu净 n n 醴o n o o u u n n配。净”ooup，l ( a c - n o 净n n u o u u 净 n n醋。净”oo-uu净 n)i，iuo，一曲dh_ib山z一 一曲。啬山z一叠，iuoh卜j山z一 一v，ioo，_卜。山z一 上海大学硕士学位论文 9 0 5 4l w r 是p c i 本地读写信号输入，经过e p m 31 2 8 逻辑反相后作为双口r a m 的读写信号r a mr wp c i 。9 0 5 4l a l 8 是p c i 本地地址总线l a 1 8 】，经过c p l d 译码后作为双端口洲的片选信号r a mc sp c i 使用。9 0 5 4l h o l d 、 9 0 5 4 一l h o l d a ，9 0 5 4 一r e a d y ，9 0 5 4 一a d s ，9 0 5 4 一b l a s t ，9 0 5 4 一l b e 0 ，9 0 5 乏b e 3 输入e p m 3 1 2 8 完成p c i 局部总线逻辑控制功能，这个在前面p c i 局部总线设计中 已有介绍。r a mb u s yp c i 、r a mo ep c i 输入e p m 3 1 2 8 做测试用。 针对c p l d 器件不同的内部结构，a l t e r a 公司提供了编程器、j a t g 接口在线编 程及a l t e r a 在线配置三种器件配置方式。其中j t a g 在线编程应用较为普遍，程序 下载j t a g 接口电路如图4 2 2 所示： v c c 3 3j 3v e c 3 3 盎游黼p l d t 黧c k 12 34 56 垦i 坐刊k c p l dt d i 广 78 9l o 弋7 c p l d j t a gg n d 图4 2 2 c p l d 程序下载j t a g 接口电路 实际使用过程中需要注意，j t a g 接口的电缆线一般使用扁平电缆，长度不超过 3 0 c m ，否则带来干扰、反射及信号过冲问题，引起数据传输错误，导致下载失败。 4 6 信号调理与隔离驱动电路设计 在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了小信号放大、滤波外，还有诸 如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信 号调理( s i g n a lc o n d i t i o n i n g ) ，相应的执行电路统称为信号调理电路。在现代微机化 测试系统中，许多原来依靠硬件实现的信号调理任务都可以通过软件来实现，这样 就大大简化了微机化测试系统中信号输入通道的结构。信号输入通道中的信号调理 重点为微弱信号放大、信号滤波等硌1 。 由于气体传感器输出的信号较小，一般为毫伏级，需要加以放大，以满足大多 数a d 转换器的满量程输入的要求，本泄漏检测系统中，传感器满量程输出1 0 0 m v ， 模数转换器满量程输入3 v 。此外，气体传感器和电路中器件的噪声，人为的发射源 第5 9 页 上海大学硕士学位论文 也可以通过各种耦合渠道使信号通道染上噪声，它需要用滤波器来衰减，以提高模 拟输入信号的信噪比。信号调理电路设计如图4 2 3 所示： 图4 2 3 信号调理电路 4 6 1 多路模拟开关电路 虽然f 2 8 1 2 提供1 6 路的a d c 通道，为了使电路板更简洁，不必为每一路检测 信号设计单独的信号放大和模拟滤波电路，考虑采用多路开关控制各个传感器数据 的采集，由一套信号调理电路处理多个传感器的信号。为了提高检测精度，气体传 感器采用差分输出，为此我们选用t i 公司生产的c d 4 0 5 2 眨4 1 作为模拟多路开关。 c d 4 0 5 2 由两根地址线a 、b 及控制线i n h 的状态来实现切换功能。其内部功能模 块如图4 - 2 4 所示： xc h a n n e l s 喇晌m 广r - i r i _ 、 a + + 州h + 图4 2 4 c d 4 0 5 2 内部结构原理图 第6 0 页 上海大学硕士学位论文 c d 4 0 5 2 通道选择的真值表如表4 - 4 所示： 表4 4cd 4 0 5 2 通道选择真值表 爹i n h i b i t ”一4 j1 3 i 。辱蠢。二 j ! 7 选择通道一一貔 0000 x ， 0 y oo11 x ， 1 y 010 2 x ， 2 y 0 l l 3 x ， 3 y 1xx 无 真值表中的i n h i b i t 代表的是芯片的使能端，若i n h = l ( 高电平) ，则无论地 址选择端是什么样的信号，所有的开关都断开，输出端呈高阻态；若i n h = 0 ( 低电 平) ，此时各个开关导通的状态取决于地址选择信号。具体电路如图4 2 5 所示： f 力du 5 a i j n d 图4 2 5 多路开关电路图 图中输入端y i n i 4 和x i n i 4 分别接四个传感器的差分输出信号，y 仪丌和 x o u t 为其输出信号，连接到可调增益放大电路的输入端。d s p 的g p i o 口连接控 制引脚i n h i b i t 、a 、b ，通过软件实现多路开关的选通。 4 6 2 可调增益放大电路 在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压，电流或电荷信号的放大 电路称为测量放大电路，也称仪用放大电路。对其基本要求是：输入阻抗要比传 感器输出阻抗高得多；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声，也不易受外来 噪声的影响；低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；足够的带宽和 转换速率( 无畸变的放大瞬态信号) ；高输入共模范围( 如达几百伏) 和高共模 第6 l 页 上海大学硕士学位论文 抑制比；可调的闭环增益；线性好、精度高。 根据传感器的输出特性，调理电路使用差动放大电路。基本差动放大电路由于 受到信号源阻抗的影响，单独使用时用途有限，一般与其他运算放大器组合使用。 我们采用b b 公司的运算放大器o p a 4 2 2 7 组成放大电路。o p a 4 2 2 7 ，四路运放，增 益带宽积1 0 m h z ，极低噪声和漂移，开环增益1 6 0 d b 以上，共模信号抑制比达到 1 3 8 d b ，输出能力5 0 m a ，具有极好的直流和交流特性，自带保护。 泄漏检测系统中，传感器的满量程输出电压不完全一致，因而对应的放大电路 放大倍数要相应作出调整，调整方式主要有人工( 或机械) 和程控两大类。在自动化 程度要求较高的系统中，用手工切换电阻来改变放大器增益的方法是不可取的，这 就希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，或者放大器本身能够自动调整增益 到合适的范围。使用可编程数字电位器可以满足放大倍数可调的功能。 可编程数字电位器a d 8 4 0 0 具有无噪声、抗震动、尺寸小、寿命长等优点，同 时它还具有可编程能力，可直接用编程的方式选择不同的电阻阻值。其内部功能结 构如图4 2 6 所示： w u 图4 2 6 a d 8 4 0 0 功能结构图 d s p 的多通道缓冲串口中m c l k x a 口发一个触发的信号到a d 8 4 0 0 的c l k 脚， 然后通过m f s x a 口把片选c s 至低，接着由m d x a 发送串行数据到s d i 脚上，就 可以实现a d 8 4 0 0 阻值的编程选择，从而实现了运算放大器的增益可调。 可调增益放大电路具体电路如图4 2 7 所示。y o u t 、x o u t 为压力传感器的输 出信号，经过放大电路放大以后输出信号a i n l 作为滤波电路的输入信号，作进一 第6 2 页 上海大学硕士学位论文 步处理。图中r 2 0 7 和r 2 0 8 阻值相等，r 2 0 9 和r 2 1 3 阻值相等，r 2 1 4 和r 2 1 5 阻 值相等，则差动增益g d 为： 岛= 惫 警， 式中，r g 为可调电位器阻值。 ? ：足：譬k n 蜘h ， i 图4 - 2 7 可调增益放大电路 4 6 3 模拟滤波电路 模拟滤波器在各种预处理电路中几乎是必不可少的。有源滤波器实质上是有源 选频电路，它的功能是允许指定频段的信号通过，而将其余频段上的信号加以抑制 或使其急剧衰减。 各种类型的有源滤波器电路，其滤波特性、参数调节的方便与否、电路的复杂 程度、对所用元器件的要求以及成本等成为评价和选择电路的依据。用运算放大器 和r c 网络组成的有源滤波器的性能远远优于无源滤波器，因为运算放大器具有高 增益、高输入阻抗、低输出阻抗，所以组成的有源滤波器能提供一定的增益，并具 有缓冲作用，尤其正增益的( 即同相结构电路) 有源滤波器便于链接，能方便地用简 单的手段实现复杂的高阶滤波。 由于一阶滤波电路的缺点是当噪声频率大于截止频率时，幅频特性衰减太慢， 第6 3 页 上海大学硕士学位论文 与理想的幅频特性相比相差太远。所以在设计中，考虑了在利用放大器o p a 4 2 2 7 构成一阶有源滤波器的基础上，再加一级r c ，组成二阶滤波电路，它的幅频特性 在噪声频率大于截止频率时，衰减速度快，其幅频特性更接近于理想特性。同时， 考虑到缓冲器( 增益= 1 ) 往往会发生振荡，在反馈电路中插入r c 以防振荡。具体 电路如图4 2 8 所示o 们： a ( 掰d 图4 2 8 模拟滤波电路 选择巴特沃兹特性设计滤波器，这种特性也称为最大振幅平坦特性，对于我 们采用的2 次低通滤波器( l p f ) ，r c 的参数设计如下： 铲瑟1蓦=磅rmc22s=2qc： 1 ，觯一；c 2 2 9 2 兹；( q 2 万) 4 6 4 隔离驱动电路 隔离驱动电路的作用是将d s p 输出的控制信号进行功率放大，以驱动电磁阀快 速动作。f 2 8 1 2 共提供了丰富的通用i o 输出，在泄漏检测系统中利用这些g p i o ：j i 脚 可以得到控制电磁阀开关的信号。 由于d s p 很容易受到干扰，因此需要在输出的控制信号上加隔离电路。光电耦 合器以光信号为媒介实现电信号的耦合和传递，隔离了功率电路对信号发生源的电 压冲击和噪声串扰，保证了控制信号的可靠性。电路设计中采用了高速光电耦合器 6 n 1 3 7 ，具有传输延时小，开关频率高，隔离效果好等特点。 第“页 上海大学硕士学位论文 功率开关管选用m o s f e t ，这是理想的电压控制型自关断电力电子器件，具有 诸多优点：开关速度快，直流输入阻抗高，故驱动功率很小。对m o s f e t 的控制本 质上就是对共源输入电容的充放电控制。功率开关管采用i r f 7 4 0 ，耐压4 0 0 v ，电流 i o a ，具体隔离驱动如图4 - 2 9 所示： u l l+ 12 v+ 2 4 、 图4 2 9 隔离驱动电路 4 7p c b 电磁兼容性设计 泄漏检测仪的数据采集卡中既有模拟电路，又有数字电路，它们之间的相互干 扰是在所难免的，如在设计前充分考虑并满足抗干扰性的要求，就可以避免在设计 完成后再去进行抗干扰的补救措施。p c b 的设计将直接反映出抗干扰性能的好坏。 4 7 1 电磁兼容性概述 电磁兼容( e m c ，e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 指的是一个产品和其他产品共存 于特定的电磁环境中，而不会引起其他产品或者性能下降或损坏的能力。电磁兼容 主要包括两个方面的内容：一是发射性，二是抗干扰性，即电磁骚扰性和电磁敏感 性1 2 1 。 4 7 1 1 电磁兼容的三要素 e m c 主要包括电磁干扰和电磁敏感性两大类，无论电磁干扰还是电磁敏感性， 当电磁兼容性问题发生的时候，都必须符合三个条件： ( 1 ) 存在一定的噪声源； ( 2 ) 存在着易受干扰的敏感设备； 第6 5 页 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 存在着干扰传播路径。 对于任何发生电磁兼容问题的电子设备，这三个条件缺一不可，如果其中一个 条件不存在的话，就不可能发生电磁兼容问题。解决所有电磁兼容问题的思路也是 从这三个方面着手，即要想办法抑制噪声源，切断传播路径，保护敏感设备。 4 712 传输线设计 由于数据速率的提高和逻辑门器件速度的增加，p c b 传输线效应成了电路正常 工作的制约因素。为了满足p c b 信号的功能，最主要的要求就是传输线没有反射和 串扰现象，或者反射和串扰不影响信号的工作。 【反射】特性阻抗反映了传输线上电压与电流的比值关系，当传输线端接负载 的阻抗不等于其特性阻抗( 即负载与传输线阻抗不匹配) 时，所传输的信号的能量 不能完全被负载所吸收，会有信号被反射回去，导致信号不完整，出现电压过冲、 电压欠冲、信号上升沿迟缓等问题，从而影响p c b 的电磁兼容性。 在实际应用中，采用终端阻抗匹配消除反射。最简单的终端匹配端接方式是用 电阻元件，最常用的负载端接的类型有串联匹配、并联匹配、戴维南匹配、r c 网 络和二极管匹配等。 【串扰】当不同导线产生的磁场相互作用时就会产生串扰。串扰有两方面的危 害。首先串扰会改变总线中受串扰的传输线的特性，从而影响系统的时序和信号完 整性；其次，串扰会对其他的传输线造成噪声，更进一步降低信号质量。 为了减少串扰，p c b 设计时应采取下列措施：尽量拉大传输线间的距离或者尽 量减少相邻传输线间的平行距离；关键传输线可以采用差分线传输，以减少其他传 输线对它的串扰；相邻两层的信号层走线方向应该垂直；强干扰信号线或者对干扰 敏感的信号线必须强制使用3 w 原则，即相邻两个导线的距离大于导线宽度的2 倍。 4 7 1 3 时钟部分的设计 时钟驱动电路不仅仅是电磁干扰的“制造者 ，也是电磁干扰的“受害 者， 时钟电路随着时钟脉冲的变化，不断向外发射电磁干扰，同时时钟驱动电路也会作 为接收天线，会拾取外界或本板内的电磁干扰，结果引起电路产生噪声。 【布局】时钟晶体和相关电路应该布置在p c b 的中央位置并且要有良好的地层， 第6 6 页 上海大学硕士学位论文 而不是靠近i o 接口处。对提供时钟源的晶体要求只能安装在主p c b 上，不能将时 钟做成子卡，使用插座进行时钟信号的传输。在p c b 上时钟电路区域只布与时钟电 路有关的器件，避免布设其他电路或者与其他电路靠近。将晶体振荡器、时钟支持 电路布在地平面附件，如果是金属外壳封装的时钟晶体，则在p c b 设计时，一定要 在晶体下方覆铜，并且保证此部分与完整的地平面有良好的电气连接。 【共用时钟走线】电路设计人员和p c b 布线工程师有时列出周期信号及时钟信 号的顺序图以便于布线时分清主次和重点，以便于布线。对快速上升沿信号及时钟 采用辐射状连接好于采用单个公共驱动源的网络串连接。在共用时钟总线中，总线 上的驱动端和接收端共享同一个时钟。 【时钟传输线要求及p c b 分层】分层设计时，p c b 设计人员一定要在紧邻时钟 走线层安排完整的映像平面层，减少走线的长度并进行阻抗控制。时钟线一定要走 在多层p c b 板的内层，并且一定要走带状线，如果在外层走线，只能是微带线，走 在内层能保证完整的映像平面。 4 714 电源部分的设计 电源设计主要采用分布式供电，其单板上芯片的工作电压来源于单板上的电源 模块，对于此类单板电源部分的设计，一定需要考虑过流保护、欠压告警、缓启动 设计、过压保护才能保证单板正常工作。 电子设备的电源电路工作时会存在高频噪声，主要是由于电源模块工作时的高 频开关造成的，负载频繁变化也会导致噪声的产生。在p c b 设计时采用大面积铺地， 尽量增大供电线宽度能降低噪声，除此之外，采用滤波措施也是必须的。滤波器是 防止传导干扰的最主要的措施。滤波器之所以能够成为抑制电磁干扰的重要方法之 一，是因为滤波器可以把不需要的电磁能量即电磁干扰减少到满意的工作电平。 电源滤波器电路在p c b 设计上，输入输出线要分开，最好分别从印刷版的两边 引出，以免相互耦合或形成环路，而且引线要尽可能短。元器件布置要合理，引脚 尽可能短而粗，尽量使用贴片的阻容器件。并且p c b 上滤波电路出的电源和地线要 满足额定电流的要求，导线要有一定的宽度，同时也要兼顾安全性的要求，这样可 减少辐射干扰。 第6 7 页 上海大学硕士学位论文 4 715 接地的设计 在电磁兼容设计中，接地是最难的技术，没有一个绝对正确的接地方案。设计 p c b 时，不同性质的电路( 如数字电路、模拟电路、高频电路等) 应设置不同的地， 这样为不同性质的信号提供回流通道以提高整个系统的电磁兼容性。p c b 接地设计 的总原则是信号线一定要存在相邻完整的映像回流平面，不能够存在地环路，重要 信号线和关键信号线要受到保护。 双面板地线布局设计准则如下：对于数字电路和模拟电路来说，地线在p c b 上 以指叉或树叉形状连接于各元器件的地线，一般支线地宽度不小于5 0 m i l ，母线地 宽度不小于1 0 0 r a i l ；对于较高频率部分来说，推荐另一层的相对应部分做成接地参 考平面；推荐的汇接点在内部电源或外部输入电源的大滤波电容的接地点处，低频 模拟电路的汇接点也可选在输入小信号的接地处；对于高频( 1 0 m h z ) 模拟电路 接地方法来说，地线在p c b 上以铺地形式连接各元器件的地线，信号线把铺地挖开； 对于较高频率部分，推荐另一层的相对应部分做成接地平面。 多层板则要求合理分层，主电源平面层最好紧邻接地层且在接地层的下面，确 保电源与地层距离最近，有利于电源的解耦，可以提供最大的电容和最低的阻抗。 对于混合信号p c b 板来说，一般将p c b 分区为独立的模拟部分和数字部分， 设计者可以将数字、模拟系统合在一块p c b 上；同时，两部分电源也应该分开。对 于数字和模拟部分进行分割是降低信号间的相互干扰的有效方法，但应遵守两个基 本原则：第一，尽可能减少电流环路的面积；第二，系统只采用一个参考面。另外， 要注意不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，电磁辐射和和信号串扰 会急剧增加，从而影响了系统的电磁兼容性；应采用桥接法布线，在被分割的地之 间进行单点连接，形成两个地之间的连接桥，然后通过该连接桥布线，这样在每一 个信号线的下方都能够提供一个直接的电流回流路径，从而使形成的环路面积很小。 4 7 2 数据采集卡的兼容性设计 在数字系统设计中如果解决了时钟、电源、接地等问题，则数字系统硬件的稳 定性和可靠性就有了保障。为提高系统的电磁兼容性，本系统中的数据采集卡在时 钟信号设计、电源设计、接地设计三个方面采取了相应的措施。 第6 8 页 上海大学硕士学位论文 4 7 2 1 时钟信号设计 数据采集卡有四个地方需要输入时钟信号，d s p 时钟信号、c p l d 时钟信号、 p c i 9 0 5 4 局部时钟信号及其p c i 总线端时钟信号。其中p c i 总线端的时钟信号由p c i 插槽提供，设计中主要是满足其走线长度为2 5 0 0 4 - 1 0 0 m i l 的要求，布线中该时钟信 号走线不到2 5 0 0 m i l ，我们采用蛇形线使之到达要求。 考虑到系统对时钟同步有一定的要求，其它三个时钟信号采用共用时钟信号的 方式，走线如图4 3 0 所示。端接负载消除时钟走线的反射。同一时钟源出来的时钟 线采取相同的走线长度也是必须考虑的，这也要采用蛇形线原则来布线。时钟电路 单独布置在p c b 板的右上角，附近没有其它电路。晶振下方覆铜，晶振金属外壳及 接地引脚与覆铜接触，并且此部分覆铜与完整的地平面有良好的接触。 缓 ( 二一d s p 振荡器卜 二)冲 ( 二一c p l d 器口p c i9054 图4 3 0 时钟信号的布线 为了减少地电位跳跃和电源噪声的影响，时钟源电路采用了滤波电路，在2 0 m h z 以上的频率范围内衰减量最大可达2 0 d b ，如图4 3 1 所示为时钟电源采用的l r c 滤 波电路。将滤波器靠近晶振的电源输入引脚，以最大程度减少射频环路电流。 0 1 图4 3 1 时钟电源l r c 滤波电路 4 722 电源设计 数据采集卡中各i c 的工作电压有+ 1 8 v 和+ 3 3 v 两种。其中+ 1 8 v 为d s p 专用 核心电压，+ 3 3 v 为d s p 的f o 口电压，c p l d 、双口r a m 及p c i 9 0 5 4 的工作电压。 第6 9 页 上海大学硕士学位论文 4 3 1 节电源设计中图4 1 6 为电源供电电路。+ 5 v 由p c i 总线提供，选用t i 公司的 电源管理芯片t p s 7 6 7 d 3 1 8 ，其电压输入端烈的输入电压可以在+ 2 7 v + 1 0 v 之间， 并具有很低的静态电流，这样使得数据采集卡中工作电压为+ 3 3 v 的i c 能不受上位 p c 机电源波动的影响而稳定工作。+ 1 8 v 专门供给t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的核心电压， v c c 3 3 专门给t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的i o 口供电，以及e p m 3 1 2 8 、p c i 9 0 5 4 、c y 7 c 0 2 5 a v 等重要i c 芯片提供工作电压，v c c 3 3 0 i c 为其他工作电压为+ 3 3 v 的i c 和电路供 电，v c c 3 3 亿单独给d s p 内置f l a s h 提供电源。 4 7 2 3 接地设计 地线以铺地形式连接各个元器件的地线，信号连线把铺地挖开；将地线分割为 模拟地和数字地两部分，两部分通过一个1 0 0 m h 的电感进行单点连接以此在两个地 线形成连接桥。接地线在布线允许范围内尽量加粗。 单点接地设置目的是为了防止来自两个不同的参考电平的子系统中的电流与射 频电流经过同样的返回路径而导致共阻抗耦合。这种接地方法用在低频p c b 中比较 合适，可以减小分布传输阻抗的影响。但在高频p c b 中，返回路径的电感在高频下 成为线路阻抗的主要部分，因而在高频p c b 中为使接地阻抗最小，通常采用多点接 地法。在数据采集卡中选择单点接地和多点接地相结合的混合接地方式。在p c b 中 低频处呈现单点接地，而在高频处则呈现多点接地。 4 7 3 数据采集卡的硬件实现 系统中的数据采集卡是模拟电路和数字电路的混合系统。p c b 设计为双面板， 为了提高系统的稳定性和抗干扰性，设计p c b 时除了以上介绍的时钟信号、电源、 接地设计外，还采取了以下措施： 【布局】围绕各功能电路的核心元件进行布局，保证各元器件沿同一方向整齐、 紧凑排列，易受干扰的元器件不能相邻布置，以防止信号间耦合；处理敏感信号的 元件要远离电源、大功率器件等，并且不允许敏感信号线穿过大功率器件；一个过 孔会带来约o 5 p f 的分布电容，因此，减少过孔数量可显著提高运行速度。 【去耦电容】在p c i 9 0 5 4 、t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 、e p m 3 1 2 8 、c y 7 c 0 2 5 a v 这几个主要 i c 的v c c 引脚接o 1uf 的去耦电容。主要功能就是提供一个局部的直流电源给有 第7 0 页 源器什，以减少开关噪声在板上的传播并抑制噪声对其它芯片的干扰。 【p c b 布线】布线按照时钟信号、高速数字信号、数字信号、模拟信号和电源 线的顺序布线：电源线和地线的宽度取普通信号线宽度的两倍；同一个总线上的信 号线的走线尽量一样长，以保证时序的正确。 使用p r o t e l d x p 进行数据采集 原理图及p c b 的设计，最终p c b 如图4 - 3 2 所 示。调试表明：此数据采集 具有元件布局、布线台理、抗干扰性能较好选到了 预期设计要求。板卡实物图如图4 3 3 所不。 陶4 3 2 数据采集 p c b 图 图4 - 3 3 数据采集卡实物圉 上海大学硕士学位论文 第五章系统软件设计与实现 整个系统的软件设计主要包括p c i 设备的驱动程序，d s p 和c p l d 的程序和上 位p c 机的应用程序。程序之间的结构关系如图5 1 所示： 图5 - 1 软件设计结构图 检测系统开始工作后，数据采集卡上运行数据采集与处理程序，上位p c 机运行 应用程序，二者通过p c i 接口实现通信。数据采集与处理程序上电后初始化必需的 寄存器和标志位，然后进入等待状态。上位机启动后则先通过列举设备查找数据采 集卡，找到后安装设备驱动程序，待用。启动应用程序后，如有控制指令则可通过 p c i 接口向d s p 申请中断，由d s p 相关程序作出处理。 5 1p c i 驱动程序开发 泄漏检测系统的p c i 接口设计，关键是在p c 机操作系统下对整个系统的实时 控制，操作系统通过设备驱动程序来管理实际数据传输和控制特定类型的物理设备 的操作，因此必须慎重选择驱动程序的对象操作系统。 w i n d o w s 是目前应用最广泛的p c 机操作系统；它是基于抢占式的多任务操作 系统，不需要用户干预就能实现实时多任务功能，这样可以保证前台加工任务准确 完成地同时还能执行在线监测、故障诊断等多个任务，从而充分发挥p c 机的性能； 它有强大的网络功能，可以实现数控系统的远程诊断、控制和监测功能；它有丰富 的应用软件资源和开发工具，可极大缩短开发周期。在w i n d o w s 系列中， w i n d o w s 2 0 0 0 应用比较广泛，具有较强的系统稳定性和软件扩展性，它引入了全新 第7 2 页 上海大学硕士学位论文 的w d m ( w i n d o w sd r i v e r m o d e l ) 的驱动程序构架。虽然u n i x 、l i n u x 也各有优势， 但是相对而言，开发资源不够丰富，所以我们最终决定开发基于w i n d o w s 2 0 0 0 的驱 动程序。 5 1 1 驱动程序开发工具 w i n d o w s 环境下驱动程序有如下三种类型： 【v x d 】( v i r t u a ld e v i c ed r i v e r ) 是虚拟设备驱动程序，是系统用于对各种硬件 资源识别、管理、维护运作的扩展。v x d 和v m m ( 虚拟机管理器) 一起合作，维持 着系统的运作。v x d 模式从w i n 3 x 时代就开始了，一直到了w i n 9 8 还一直在m s 的w i n 系列操作系统中起主导作用。v x d 运作在i n t e l 系列c p u 保护模式下的r i n 9 0 ， 拥有对硬件的最高控制权。 【k m d 】( k e r n e lm o d ed r i v e r ) 是w i n d o w s n t 下提出的管理，维护硬件运作 的驱动程序模式。该驱动运行于w i n d o w s n t 的k e r n e l 模式下( 类似于r 小g o ) ， 但是，一个k m d 的运作环境在不同的时候是根本不同的。驱动收到设备请求时的 运行环境很可能和设备请求实际操作的运行环境根本不同，因此在w i n d o w s n t 下 驱动的运作也受到w i r l d o w s n t 本身的许多限制。 【w d m 】( w i n 3 2d r i v e rm o d e l ) 兼容w i n 9 x 、w i n m e 、w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n x p ， 但不支持w i n c e ，是微软力推的驱动程序模式，也可以理解为一个即插即用( p n p ) 的k m d 。我们选择开发w d m 类型的驱动程序，其具体模型后面会有介绍。 开发设备驱动程序需要专门的开发工具，目前应用广泛的主要有以下几类。 一类是m i c r o s o f t 公司提供的w i n d o w sd d k ( d e v i c ed r i v e rk i t ) 。d d k 是一完 整的驱动程序开发套件，提供建立环境、工具、驱动程序范例以及文件来支持 w i n d o w s 操作系统的驱动程序开发。使用d d k 开发驱动程序要求设计者必须对 w i n d o w s 的体系结构、设备驱动程序的结构、虚拟机管理器( v m m ) 以及i n t e lc p u 体系结构有深入的了解，而且需要保护模式的汇编语言编程经验。 而c o m p u w a r e 公司的d r i v e r s t u d i o 中的d r i v e r w o r k s 对d d k 函数库进行了封装， 并将设备驱动程序框架向导嵌入至v i s u a lc + + 集成开发环境，大大的减小了基于 d d k 的设备驱动程序的开发的难度，并同时提供驱动程序调试工具d r i v e r m o n i t o r 第7 3 页 上海大学硕士学位论文 和s o f t i c e 。d r i v e r s t u d i o 是一个大的开发工具包，它包含v t o o l s d 、s o f l i c e 和 d r i v e r w o r k s 等开发工具，d r i v e r w o r k s 用于开发k m d 和w d m 驱动程序。 一类是v t o o l s d 。v t o o l s d 开发包提供对v x d 编程的c c + + 类库支持，利用 v t o o l s d 中的q u i c k v x d 工具可以快速生成v x d 的c c + + 代码框架，开发者可以在 此基础上根据各自的需要添加自己的代码。 还有一类是w i n d r i v e r ，这是美国k r f t e c h 公司出品的用于编写驱动程序的另 一种工具包。它包括一个类似于q u i c k v x d 的代码生成器w i n d r i v e rw i z a r d 、1 个 w i n d r i v e r 发行包、2 个公用程序。与v t 0 0 1 s d 一样，w i n d r i v e r 工具包的优点在于 可以使编程人员用c 或c 抖语言来编写设备驱动程序，而不是将大量精力放在编写 那些复杂的、难于调试的内核模式代码。 这几种开发工具应该说各有千秋。d d k 功能强大，编程灵活，适用范围广，可 应用于各类硬件驱动程序的编写，但也对编程人员的要求较高，编程难度较大。 o o l s d 主要工作环境是在w i n d o w s9 8 9 5 下，w i n d r i v e r 的适用面比前二者窄，它 主要针对i s 脚c i 插卡，而对其他类硬件的技术支持较少，但它编写的程序可同时 工作在w i i l d o w s 9 5 9 8 n t 操作系统。 d d k 的编程难度虽然较大，但是更适合在w i n d o w s 2 0 0 0 的平台上开发驱动程 序，再加上有了d r i v e r s t u d i o 的支持，我们决定选用d d k 基于w d m 的开发模式。 开发工具：w i n d o w s 2 0 0 0d d k ，d r i v e r s t u d i ov e r s i o n3 2 和m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 。 d r i v e r s t u d i o 安装后嵌入v i s u a lc + + 开发环境，使得驱动程序和上位机应用程序开发 环境保持一致，均为v i s u a lc + + 。 5 1 2w d m 驱动程序介绍 5 1 2 1w d m 的工作原理 w d m ( w i n d o w sd r i v e rm