HY-2陀螺LTU线路盒专用_测试设备项目立项-方案设计报告

进机号 分类号 所藏号 密别 阶段 标记 名称名称 HY 2 陀螺陀螺 LTU 线路盒专线路盒专 用测试设备用测试设备 方案设计报告方案设计报告 编号编号 共共 页页 编编 写 写 校校 对 对 审审 核 核 会会 签 签 标标 检 检 批批 准 准 北京康拓科技开发总公司北京康拓科技开发总公司 第 2 页 目录目录 1概述概述 6 2引用文件引用文件 6 3需求分析需求分析 6 3 1整体结构 6 3 2专用电源 7 3 3测控箱 7 3 3 1脉冲采样要求 7 3 3 2恒流源要求 7 3 3 3模拟信号测量要求 8 3 4计算机 8 3 4 1测控箱前面板 8 3 4 2测控箱后面板 9 3 5被测对象总结 9 4测试设备硬件方案设计测试设备硬件方案设计 9 4 1测控箱 9 4 1 1APCI5096 11 4 1 2GX5871 11 4 1 3GX5872 12 4 1 4GXRCIO 13 4 1 5APCI5488 13 4 1 6APCI5487 14 4 1 7GX5488 14 4 1 8GXJDQ 15 4 1 9ZTLI1 15 4 1 10前面板设计 16 4 1 11后面板设计 17 第 3 页 4 2电源箱 18 4 2 1电源输入指标 18 4 2 2输出电压及功率 18 4 2 3调整率 18 4 2 4显示精度 18 4 2 5保护功能 18 4 2 6输出纹波 19 4 2 7程控 19 4 3上位机 19 4 4温度传感器 20 4 5展开箱 20 4 6测试电缆 20 5信号处理方法信号处理方法 21 5 1单脉冲信号输出 21 5 2脉冲宽度采集 22 5 3连续脉冲输出 22 5 4个数脉冲输出 23 5 5连续脉冲计数 24 5 6定时脉冲计数 24 5 7触发脉冲计数 25 5 8动量轮转速采集 25 5 9异步串口发送 27 5 10异步串口接收 29 5 11串口应答 30 6软件方案软件方案 33 6 1软件需求分析 33 6 2软件开发与运行平台 33 第 4 页 6 3测控箱软件设计方案 33 6 4测控箱软件主要模块流程图 33 6 5计算机软件设计方案 33 7接口设计接口设计 33 7 1机械接口 33 7 2电接口 33 7 2 1RS422接口电路 33 7 2 2脉冲输出 34 7 2 3脉冲输入 35 7 2 4模拟量采集 35 7 2 5模拟量输出 36 7 2 6恒流源输出 36 7 2 7电源电压调理 36 7 2 8电源电流调理 37 7 2 9继电器控制 37 8可靠性设计可靠性设计 38 9安全性设计安全性设计 38 9 1对测试人员的安全性设计 38 9 2对被测对象的安全性设计 38 9 3对测试设备的安全性设计 39 10热设计热设计 39 11可维修性设计可维修性设计 40 12可校准性设计可校准性设计 41 13电磁兼容性设计电磁兼容性设计 41 14产品售后服务产品售后服务 42 第 5 页 15遗留问题遗留问题 42 16结论结论 42 附录附录 A 设备清单设备清单 43 附录附录 B 文件清单文件清单 44 Comment A1 注意 该部分为 需求分析 是分析任务书需 求 而不是简单的复值任务 书 第 6 页 1 概述概述 本文根据 ZY 3 惯性姿态敏感器地面测试设备任务 介绍了并 ZY 3 惯性姿态敏感器地面测试设备 以下简称测试设备 的设计 主要内容包括 方案选择 系统组成 工作原理 对外接口 可靠 性 安全性以及其它方面的描述 2 引用文件引用文件 任务书编号XX 测试设备任务书 GJB1622 93航空电气和电子设备的测试设备通用规范 GJB450A 2004装备可靠性工作通用要求 QJ2109 2 91专用测试设备通用设计要求 Q W 416 93卫星电气测试设备安全要求 企业标准 Q HDKTK002 2007APCI5000 系列工业控制机技术规范 3 需求需求分分析析 3 13 1整体需求整体需求 总体描述测试设备的需求 并提供测试系统整体框图 一般可 从任务书中提炼 3 23 2功能与组成功能与组成 较为详细地描述测试设备的需求 一般可从任务书中提炼 测试设备包括测控箱 专用电源 计算机 高精度数字电压表 和存储示波器 高精度低速转台 陀螺测试工装等 测试系统结构 图如图 1 所示 Comment A2 任务书要求的各 组成部分 和系统结构图 Comment A3 描述被测对象 Comment A4 电源整体指标 有其他要求时 也一并列出 第 7 页 被测试产品 计算机 专用电源 测控箱 陀螺组件2 陀螺线路2 6通道 陀螺组件1 陀螺线路1 3通道 图 1 测试系统结构图 被测对象含 4 件产品 陀螺组件 1 和陀螺线路 1 为 3 通道惯性 姿态敏感器 陀螺组件 2 和陀螺线路 2 为 6 通道惯性姿态敏感器 3 33 3 设备各组成部分的性能指标或要求设备各组成部分的性能指标或要求 较为详细地描述测试设备的性能指标要求 一般可从任务书中 提炼 3 3 1 专用电源专用电源 根据任务书要求 本测试设备需为被测对象提供 N 路电源 指标如下 通道电压值范围电流精度纹波 电源 1 28V 15 10A1 750mV p p 电源 2 20V 15 2 5A1 200mV p p 3 3 2 脉冲采样要求脉冲采样要求 测控箱可以对陀螺输出的 42 路脉冲信号进行计数 可以设置采 样频率 采样个数 并在测控箱前面板显示 脉冲计数可以设为定 周期模式或者累加模式 可通过计算机对脉冲计数进行采集控制和 显示 存储处理 采样计数周期从 0 05s 1min 可以设定 定时精度 Comment A5 列出通道数量和 各信号的技术指标 Comment A6 同上 Comment A7 同上 第 8 页 要求优于 10 5秒 脉冲计数精度 10 5 脉冲量特性见表 1 表 1脉冲量特性 脉冲高电平脉冲低电平脉冲宽度输出阻抗脉冲频率通道数 陀螺线路 14 5 5V0 1 0V 4 5 s150k 0 50kHz6 陀螺线路 28 12V0 1 0V 4 5 s20k 0 50kHz12 3 36 3 3 3 恒流源要求恒流源要求 要求输出 3 路恒流源 各路间相互隔离 每一路恒流源的输出 为浮地 恒流源输出的范围为 8mA 8mA 恒流源输出的大小和 极性可通过计算机控制输出 恒流源输出的稳定精度能够满足最大 误差小于 2 10 4mA 3 3 4 模拟信号测量要求模拟信号测量要求 要求测量 9 个陀螺测量通道输出共 36 路电压信号 被测信号输 出阻抗 5k 电压测量精度误差 0 01V 各路待测模拟信号特性见 表 2 表 2 模拟信号特性表 信号类别数量信号特性 温度信号90 5 0 2 V 马达信号90 0 04 5 0 04 V 速率信号90 0 2 5 0 2 V 应急信号9 5 0 5 5 0 2 V 3 3 5 计算机计算机 主流配置 3 3 6 测控箱前面板测控箱前面板 a 液晶显示屏 b 显示屏上显示测试数据和参数设置 并且能进行各种功能设 定和界面切换 液晶屏下方为多功能按键 根据液晶屏上显示对 应的功能操作 c 产品加电 切电开关 每个开关都有指示灯 Comment A8 根据需求定 Comment A9 需求而定 Comment A10 上述被测对象 信号总结 该小节非常必要 第 9 页 d 采用非自锁开关 开关按下一次 产品加电 指示灯亮 再按下一 次 产品断电 指示灯熄灭 要求能够通过程序控制产品加电和切 电 并且通过指示灯显示当前加电状态 即指示灯亮 表示产品对 应电源已经加上 指示灯灭 表示产品对应电源已经切断 e 220V 电源开关 有指示灯 f 测控箱使用的电源的加电 切电开关 特别注意 应将测控箱使 用的电源与产品使用的电源严格分开 不得共用电源 g USB 键盘 鼠标 显示器接口 h 可通过前面板插入键盘 鼠标后操作测控箱软件 通过 USB 传 递数据 3 3 7 测控箱后面板测控箱后面板 后面板上部为电压和负载电阻测试孔 要求测试孔应无金属裸 露 以防止电源短路 最好设计有保护盖 在不使用时可以盖上并 锁紧 插座的接点定义要求见接点定义 IDS 表文件 接地桩与机壳的搭接电阻小于 10m 接地桩与电源地和信号 的绝缘电阻大于 20M 3 43 4被测对象总结被测对象总结 主要功能由测控箱完成 测控箱处理的各种信号类型和通道数 量见表 3 表 3 测控箱处理信号统计 信号类型信号类型通道数量 脉冲计数见表 142 模拟量采集见表 236 恒流源输出 8mA 8mA3 温度传感器 50 100 8 电源电压见电源要求6 电源电流见电源要求20 电源控制见电源要求20 第 10 页 4 方案确定和系统构成方案确定和系统构成 4 14 1方案确定方案确定 本测试设备的设计的确定应依据以下原则 a 充分考虑任务书的要求 b 总结我公司设计类似测试设备的成功经验 c 选用的设备从技术上看应有一定的先进性 d 系统易更新 易扩展 可靠性高 易维护 根据以上的设计原则 我们选用了 APCI 总线的一体化工控机 作为测试设备的核心 4 24 2设备的组成设备的组成 测试设备主要包括测控箱 电源箱 上位计算机 展开箱 配 套电缆 系统结构见图 2 控 制 器 模 块 脉 冲 输 出 模 块 1 电 源 模 块 串 口 通 信 模 块 液晶屏 被测设备 同 步 脉 冲 数 出 模 块 电 源 控 制 模 块 继电器模块 脉 冲 输 出 模 块 2 D A 模 块 A D 模 块 前面板控制按钮 电 源 箱 电 源 输 出 电源箱上位计算机 测控箱 配套电缆 图 2 系统结构图 Comment A11 删除设备中不 使用的方法 第 11 页 测控箱箱体内安装控制器和各种扩展卡 控制器上安装 Windows 操作系统 在无上位机的情况下 测控箱可独立工作 5 设备技术指标和实现方法设备技术指标和实现方法 主要技术指标和使用的实现方法见表 4 表 4 主要指标和实现方法 信号名称技术指标实现方法 脉冲频率0 25kHz 可调24MHz 时钟分频 脉冲脉宽 正 4 5 s24MHz 时钟计数 异步串口115 2kbps24MHz 时钟 FPGA AD DA12 位采用 16 位的芯片 5 15 1单脉冲信号输出单脉冲信号输出 单脉冲信号输出使用 FPGA 实现 逻辑采用模块化设计 实现该功能共使用 3 个模块 分别是分 频模块 触发模块和计数输出模块 分频模块 将板上的主时钟分频为计数时钟 将计数时钟送给 计数输出模块进行计数 触发模块 监测总线上的控制 将触发信号送给计数输出模 块 计数输出模块 监测到触发信号后开始输出指令并开始进行计 数 计数符合要求的数据后 接收指令输出 模块结构如图 3 所示 分频模块 触发模块 计数输出模块 指令输出 计数时钟 触发信号 外时钟 总线控制 Comment A12 根据任务需求 Comment A13 任务书要求 第 12 页 图 3 单脉冲信号输出框图 在该系统中外时钟为 24MHz 将主时钟分频为 1kHz 1ms 的 计数时钟 计数输出模块输出指令脉宽的误差会小于 1ms 满足任 务要求的 10ms 5 25 2脉冲宽度采集脉冲宽度采集 脉冲宽度采集使用 FPGA 实现 该逻辑采用模块化设计 实现该功能共使用 3 个模块 分别是 分频模块 数据处理模块和计数模块 分频模块 将板上的主时钟分频为计数时钟 将计数时钟送给 计数输出模块进行计数 计数模块 在脉冲信号开始时开始进行计数 在脉冲信号结束 时结束计数并将数据送给数据处理模块 数据处理模块 监测计数模块是否有新的数据 将数据送给总 线进行读取 模块结构如图 4 所示 分频模块 计数模块 分频后时钟外时钟 被测信号 数据处理模块 计数 结果 总线取数 图 4 脉冲宽度采集功能框图 在该系统中外时钟为 24MHz 将主时钟分频为 10kHz 0 1ms 的计数时钟 计数模块采集的脉宽误差会小于 0 1ms 满足任务要求 的 0 25ms 脉冲宽度 计数结果 0 1ms 5 35 3连续脉冲输出连续脉冲输出 连续脉宽输出使用 FPGA 实现 连续脉冲输出主要有两个参数 频率和占空比 逻辑采用模块化设计 实现该功能共使用两个模块 逻辑控制 Comment A14 任务书要求 第 13 页 模块和脉冲输出模块 逻辑控制模块 设置各种参数 脉冲输出模块 根据设置参数输出脉冲 模块结构如图 5 所示 逻辑控制 脉冲输出模块 使能信号 高电平参数NH 低电平参数NL 脉冲输出 图 5 连续脉宽输出功能框图 其中高电平参数 NH 和低电平参数 NL 为板上主时钟个 数 在脉冲输出模块中对主时钟进行计数 初始状态输出低电平 监测到使能信号后开始计数 当计数值等于 NL 后设输出电平为 高 计算器清零 当计数值等于 NH 后设置输出电平为低 LH NN 主时钟频率 脉冲频率 LH H NN N 占空比 在该系统中主时钟为 24MHz 要求高电平宽度为 4 5 s 则 NH 24 106 4 5 10 6 108 H 6 L N 1024 N 输出脉冲频率 5 45 4个数脉冲输出个数脉冲输出 个数脉宽输出使用 FPGA 实现 个数脉冲输出主要有两个参数 脉冲个数 频率和占空比 逻辑采用模块化设计 实现该功能共使用两个模块 逻辑控制 模块和计数脉冲输出模块 逻辑控制模块 设置各种参数 计数脉冲输出模块 根据设置参数输出脉冲 模块结构如图 6 所示 Comment A15 同上 第 14 页 逻辑控制 计数脉冲输出 模块 使能信号 高电平参数NH 低电平参数NL 脉冲输出 输出脉冲个数 图 6 个数脉宽输出功能框图 其中高电平参数 NH 和低电平参数 NL 为板上主时钟个 数 在脉冲输出模块中对主时钟进行计数 初始状态输出低电平 监测到使能信号后开始计数 当计数值等于 NL 后设输出电平为 高 计算器清零 当计数值等于 NH 后设置输出电平为低 当输出 脉冲个数等于设置值时停止脉冲输出 LH NN 主时钟频率 脉冲频率 LH H NN N 占空比 在该系统中主时钟为 24MHz 要求高电平宽度为 4 5 s 则 NH 24 106 4 5 10 6 108 H 6 L N 1024 N 输出脉冲频率 5 55 5连续脉冲计数连续脉冲计数 连续脉冲计数使用 FPGA 实现 该逻辑采用模块化设计 实现该功能共使用两个模块 分别是 计数模块和数据处理模块 计数模块 对被测信号进行计数 数据处理模块 对计数结果进行处理 模块结构如图 7 所示 计数器 脉冲 数据处理模块 计数结果总线读取 图 7 连续脉冲计数功能框图 计数结果直接送给控制器读取 第 15 页 5 65 6定时脉冲计数定时脉冲计数 定时脉冲计数使用 FPGA 实现 该逻辑采用模块化设计 实现该功能共使用三个模块 分别是 定时器模块 计数模块和数据处理模块 定时器模块 输出指定时间宽度的脉冲 该脉冲作为计数器使 能信号 计数模块 对被测信号进行计数 数据处理模块 对计数结果进行处理 模块结构如图 8 所示 计数器 被测脉冲 数据处理模块 计数 结果 总线读取 定时器模块 定时脉冲 连接计数器使能 定时参数 图 8 连续脉冲计数逻辑模块图 定时脉冲连接计数器使能 计数结果直接送给控制器读取 5 75 7触发脉冲计数触发脉冲计数 触发脉冲计数使用 FPGA 实现 该逻辑采用模块化设计 实现该功能共使用两个模块 分别是 计数模块和数据处理模块 计数模块 对被测信号进行计数 数据处理模块 对计数结果进行处理 模块结构如图 9 所示 计数器 被测脉冲 数据处理模块 计数 结果 总线读取 触发信号 连接计数器使能 图 9 个数脉冲计数逻辑模块图 触发信号连接计数器使能信号 计数结果直接送给控制器读 取 Comment A16 也可能是 CMG 第 16 页 5 85 8动量轮转速采集动量轮转速采集 动量轮转速采集使用 FPGA 实现 逻辑采用模块化设计 实现该功能共使用三个模块 分别逻辑 控制模块 数据 FIFO 模块和脉冲周期计数模块 逻辑控制模块 处理数据 FIFO 中的数据 数据 FIFO 模块 对采集的数据进行缓存 脉冲周期计数模块 对动量轮转速脉冲进行脉冲周期计数 模块结构如图 10 所示 脉冲周期计数 模块 数据 FIFO 模块 数据N 计数结果 转速脉冲 D1 D2 D3 D24 逻辑控制模块 主时钟 将N循 环写 入 D1 D24 总线 图 10 动量轮转速采集功能框图 系统中主时钟使用 24MHz 的晶振 脉冲周期计数是指相邻的两 个动量轮转速脉冲之间的主时钟个数 在逻辑控制模块中内为每个通道设有 24 个 32 位的缓存器 命 名为 D1到 D24 存储动量轮转动 1 周输出的连续 24 个脉冲的周期 采用 32 位计数器 通过 24MHz 晶振进行计数 记录动量轮转速脉 冲上升沿间的时间 如图 11 所示 第1个脉冲第2个脉冲第24个脉冲第25个脉冲 N1N2N24N25 转 速 脉 冲 图 11 脉冲个数说明示意图 计数采用 32 位计数器 N1为第 1 个脉冲和第 2 个脉冲间 Comment A17 计数能否满足 任务书要求 第 17 页 24MHz 时钟的个数 N2为第 2 个脉冲和第 3 个脉冲间 24MHz 时钟 的个数 依此类推 N24为第 24 个脉冲和第 25 个脉冲间 24MHz 时 钟的个数 脉冲周期计数模块将 N 按顺序填写的 FIFO 中 逻辑控制模块 则也会按顺序将 N 读出 将 N1写到缓存器 D1内 将 N2写到缓存器 D2内 依此类推 将 N24写到缓存器 D24内 将 N25写到缓存器 D1内 此时进行下一 周期的计数 这样板中这 24 个缓存器为连续的 24 个动量轮转速脉 冲的数据 总线在一个采样周期内全部这 24 个缓存器的数据 进行运算处 理就可以得到稳定的动量轮的转速值 运算过程为 先得到频率是 24MHz 时钟的周期 t 单位秒 1 6 1 t s 24 10 动量轮转动 1 周所用时间 T 单位秒 为第 i 个缓存器中的iD 计数值 为 24 个缓存器中脉冲计数的总和 24 1Di i T t 2 24 1D i i s 动量轮的转速单位为 rpm 即每 60s 转动的圈数 得到动量轮 转速v 3 rpm 60 T v 将公式 1 2 代入公式 3 得到动量轮转速的计算公式 为 rpm i v i 24 1 9 D 101 44 通过这种方法可以精确算出动量轮的转速 避免安装工艺误差 造成的转速计算误差 这种测试方法的误差来源主要有两个方面 在本设备中主时钟使用 MHz 晶振 经过计数误差为 第 18 页 5 95 9异步串口发送异步串口发送 异步串口发送使用 FPGA 实现 逻辑采用模块化设计 实现该功能共使用三个模块 逻辑控制 模块 发送 FIFO 模块和数据发送模块 逻辑控制模块 对数据发送模块进行参数设置 向 FIFO 模块中 填写发送数据 发送 FIFO 模块 对发送的数据进行缓存 数据发送模块 根据设置和发送 FIFO 中的数据 模块结构如图 12 所示 逻辑控制模块 总线 数据发送模块 参数设置 发送数据 数据输出 发送 FIFO 模块 发送数据 图 12 异步串口发送功能框图 逻辑控制模块设置的参数主要包括 波特率 校验位 停止位 和字节间延时 各参数的设置方法如下 校验位设置 0 为无校验 1 为奇校验 2 为偶校验 停止位设置 0 为 1 停止位 1 为 2 停止为 波特率可设置为任意波特率 板上以 24MHz 作为时钟 波特率 设置参数为 24MHz 的时钟个数 24MHz 的时钟周期 t 为 6 1 t s 24 10 串口发送 1 个数据位的时间 T 为 sT baudrate 1 波特率设置参数 N 为 baudrate 1024 t T 6 N 字节间延时采用 16 位计数器 设置的参数为 24MHz 的时钟个 数 计数器的计数范围是 0 65535 乘以 24MHz 的时钟周期 t 得 第 19 页 到可设置的字节间延时范围是 0 2 37ms 设置参数 N 为 1024 6 s s N 延时时间 发送 FIFO 模块有空标志和满标志 深度默认设置为 512 逻辑 控制模块一次最多可写入 512 字节数据 该深度可根据实际应用中 的不同需求进行设置 数据发送模块初始运行在检测 FIFO 数据状态 当检测到 FIFO 的空标识为假时 开始从 FIFO 中读出数据发送 依次发送起始位 数据位 先发送低字节 校验位 设置有校验位时 和停止位 发 送完成后判断字节间延时是否设置为零 不为零时等待字节间延 时 完成一个字节的发送 返回到检测 FIFO 数据状态 5 105 10 异步串口接收异步串口接收 异步串口接收使用 FPGA 实现 逻辑采用模块化设计 实现该功能共使用三个模块 逻辑控制 模块 接收 FIFO 模块和数据接收模块 逻辑控制模块 对数据接收模块进行参数设置 读 FIFO 模块中 的接收数据 读数据接收模块的数据状态 接收 FIFO 模块 对接收的数据进行缓存 数据接收模块 根据设置接收串口数据 将数据写入接收 FIFO 中 判断接收数据的状态 模块结构如图 13 所示 逻辑控制模块数据接收模块 参数设置 接收 FIFO 模块 接收数据接收数据 总线 接收数据状态 数据接收 图 13 异步串口接收功能框图 逻辑控制模块设置的参数主要包括 波特率 校验位 停止位 和采样时间设置 接收数据状态的为接收的数据是否符合参数设 第 20 页 置 各参数的设置方法如下 校验位设置 0 为无校验 1 为奇校验 2 为偶校验 停止位设置 0 为 1 停止位 1 为 2 停止为 接收数据状态 数据格式是单字节 低两位有效 第 0 位为 1 表示停止位错误 第 1 位为 1 表示校验位错误 波特率可设置为任意波特率 板上以 24MHz 作为时钟 波特率 设置参数为 24MHz 的时钟个数 24MHz 的时钟周期 t 为 6 1 t s 24 10 串口接收 1 个数据位的时间 T 为 sT baudrate 1 波特率设置参数 N 为 baudrate 1024 t T 6 N 采样时间设置表示当数据接收模块检测到数据起始位后 何时 开始对数据采样 设置方法和波特率的设置方法相同 默认设置为 波特率的一半 即 N 2 当某些器件对高波特率通讯时波形的上沿 或下沿产生较大影响时 可根据实际情况调整该参数 确保通讯正 常 接收 FIFO 模块有空标志和满标志 深度默认设置为 512 该深 度可根据实际应用中的不同需求进行设置 数据接收模块初始运行在检测数据状态 当检测到数据起始位 后 等待采样时间后开始采样起始位 然后按照波特率依次对数据 位 校验位和停止位进行采集 并判断校验位和停止位是否正确 将数据写到数据接收 FIFO 模块中 返回到检测数据状态 逻辑控制 模块检测到 FIFO 的空标识为假时 开始从 FIFO 中读出数据并读出 数据接收状态 第 21 页 5 115 11 串口应答串口应答 串口应答功能多用于模拟各部件 LTU 应答星载计算机发送的指 令 当星载计算机发送指令完成后 要求各部件 LTU 的应答时间一 般在 50us 到 200us 之间 为了能够快速相应指令开始应答数据 该 功能使用 FPGA 实现 逻辑采用模块化设计 实现该功能共使用五个模块 逻辑控制 模块 接收 FIFO 模块 数据接收模块 发送 FIFO 模块和数据发送 模块 逻辑控制模块 设置数据接收模块和数据发送模块的参数 读 FIFO 模块中的接收数据 读数据接收模块的数据状态 对接收的数 据进行判断 向发送发送数据 FIFO 中写数据 接收 FIFO 模块 对接收的数据进行缓存 发送 FIFO 模块 对发送的数据进行缓存 数据接收模块 根据设置接收串口数据 将数据写入接收 FIFO 中 判断接收数据的状态 数据发送模块 根据设置和发送 FIFO 中的数据 模块结构如图 14 所示 数据发送模块 发送数据 数据输出 发送 FIFO 模块 发送数据 逻辑控制模块 数据接收模块 参数设置 接收 FIFO 模块 接收数据接收数据 总线 接收数据状态 数据接收 图 14 串口应答功能框图 逻辑控制模块设置的参数主要包括 波特率 校验位 停止 位 字节间延时和采样时间设置 接收数据状态为接收的数据是否 符合参数设置 各参数的设置方法如下 第 22 页 校验位设置 0 为无校验 1 为奇校验 2 为偶校验 停止位设置 0 为 1 个停止位 1 为 2 个停止为 接收数据状态 数据格式是单字节 低两位有效 第 0 位为 1 表示停止位错误 第 1 位为 1 表示校验位错误 波特率可设置为任意波特率 板上以 24MHz 作为时钟 波特率 设置参数为 24MHz 的时钟个数 24MHz 的时钟周期 t 为 6 1 t s 24 10 串口接收 1 个数据位的时间 T 为 sT baudrate 1 波特率设置参数 N 为 baudrate 1024 t T 6 N 采样时间设置表示当数据接收模块检测到数据起始位后 何时 开始对数据采样 设置方法和波特率的设置方法相同 默认设置为 波特率的一半 即 N 2 当某些器件对高波特率通讯时波形的上沿 或下沿产生较大影响时 可根据实际情况调整该参数 确保通讯正 常 字节间延时采用 16 位计数器 设置的参数为 24MHz 的时钟个 数 计数器的计数范围是 0 65535 乘以 24MHz 的时钟周期 t 得 到可设置的字节间延时范围是 0 2 37ms 设置参数 N 为 1024 6 s s N 延时时间 接收 FIFO 模块和发送 FIFO 模块均有空标志和满标志 深度默 认设置为 512 该深度可根据实际应用中的不同需求进行设置 数据接收模块初始运行在检测数据状态 当检测到数据起始位 后 等待采样时间后开始采样起始位 然后按照波特率依次对数据 位 校验位和停止位进行采集 并判断校验位和停止位是否正确 将数据写到数据接收 FIFO 模块中 返回到检测数据状态 逻辑控制 第 23 页 模块检测到 FIFO 的空标识为假时 开始从 FIFO 中读出数据并读出 数据接收状态 逻辑控制模块根据专用的协议对接收的数据进行判 断 判断是否发送数据 发送什么数据 并记录各种状态 供上位 机读取 如果判断结果需要应答数据 则逻辑控制模块向发送 FIFO 中填写应答数据 数据发送模块初始运行在检测发送 FIFO 数据状 态 当检测到 FIFO 的空标识为假时 开始从 FIFO 中读出数据发 送 依次发送起始位 数据位 先发送低字节 校验位 设置有校 验位时 和停止位 发送完成后判断字节间延时是否设置为零 不 为零时等待字节间延时 完成一个字节的发送 返回到检测 FIFO 数 据状态 6 测试设备硬件方案设计测试设备硬件方案设计 6 16 1测控箱测控箱 测控箱箱体内为插卡式工控机结构 主要由电源 控制器 母 板和 IO 板组成 测控箱前视图如图 15 所示 第 24 页 图 15 测控箱结构示意图 主要功能完成数据显示 数据采集 信号控制 接口调理 线 缆梳理等功能 测控箱内使用的板卡和完成的功能见表 5 表 5 测控箱内板卡功能说明 板卡名称板卡描述实现功能 KT DYA 36电源母板为测控箱电源提供安装支架和电源输出转接 KT DYA 35测控箱电源为控制器和 IO 板卡供电 APCI5096控制器测控箱控制器 同时控制专用电源箱 APCI5918 10母板测控箱内控制器和 IO 板母板 GXXZBUS母板调理板母板 安装非总线调理板卡 GX5872 1FPGA 板完成 24 路脉冲计数 GX5872 2FPGA 板完成 18 路脉冲计数 GX5872 3FPGA 板完成采集前面板按钮 并控制电源输出状态 GXRCIOFPGA 板完成 8 路温度传感器 DS18B20 采集 APCI4588 1A D 板完成 36 路遥测信号采集 APCI4588 2A D 板采集 4 块 ZTLI1 输出的电源电压值和电流值 GX5488恒流源 8mA 完成 3 路电流输出 GXJDQ继电器电源输出状态控制 非总线 ZTLI1 1电源采集完成 6 路电源电压采集 组件 1 中 28V 加温 电流 XYZ 的 28V 供电电流 X 的 20V 供 电电流 非总线 ZTLI1 2电源采集完成组件 1 中 YZ 的 20V 供电电流 XYZ 的 20V 供电电流 非总线 Comment A18 Comment A19 根据需求 第 25 页 板卡名称板卡描述实现功能 ZTLI1 3电源采集完成组件 1 中 XYZ 的 5V 供电电流 组件 2 中加温 28V 电流 G1 的供电电流 非总 线 ZTLI1 4电源采集完成组件 2 中 G2 G6 的 28V 供电电流采集 6 1 1 APCI5096 嵌入式控制器模块 APCI 5096 采用英特尔移动版超低功耗赛扬 M 600MHz 处理器 配合英特尔 855GME 芯片组 板载 DDR 内 存 实现了无风扇稳定工作 在发挥强大处理性能的同时可以提供 更高的稳定性和抗干扰能力 适合于航空航天 交通运输 电力系 统等恶劣环境的应用 APCI5096 是测试主机的主控制器 APCI 5096 通过总线和各数 据采集 控制模块连接 测试软件操控 APCI5096 读取板卡采集的数 据 控制板卡的输出 APCI 5096 的 RS 232 串口可与电源箱的程控串口通讯 控制电 源箱每路供电信号的加 切电 板上的以太网口被接到后面板用于与 上位机进行网络通讯 6 1 2 GX5871 GX5871 是一块专为测试设备开发的数字 IO 板卡 板卡基于 APCI5000 的标准接口板 该板核心芯片采用 FPGA 可根据用户的 不同需求进行专用的数字信号处理 板上带有 DC DC 电源模块 被 测信号和总线隔离 接口板提供 8 路光隔脉冲量输入 8 路光隔脉 冲量输出接口 8 组 RS422 接口特性的输入输出通道和 8 路非隔离 的 IO 引脚 在本设备中共使用 1 块 GX5871 处理信号见表 6 共 2 路脉 冲计数 表 6 GX5872 1 处理信号 序号信号名称信号类型信号方向通道号 1陀螺组件 1 X F RS422输入 输出CH0 第 26 页 序号信号名称信号类型信号方向通道号 2陀螺组件 1 X F RS422输入 输出CH1 6 1 3 GX5872 GX5872 是一块专为测试设备开发的数字 IO 板卡 板卡基于 APCI5000 的标准接口板 该板核心芯片采用 FPGA 可根据用户的 不同需求进行专用的数字信号处理 板上带有 DC DC 电源模块 被 测信号和总线隔离 该板有 30 路光隔脉冲量输出 通过配置板上的 DC DC 模块可配置输出信号高电平的电压值 默认为 4 路 5V 26 路 12V 24 路光隔脉冲量输入 兼容 5V 12V 在本设备中共使用 2 块 GX5872 其中第 1 块 GX5872 命名为 GX5872 1 配置 12V 输出的 DC DC 处理信号见表 7 共 2 路脉冲计数 表 7 GX5872 1 处理信号 序号信号名称信号类型信号方向通道号 1陀螺组件 1 X F 0 12V输出CH0 2陀螺组件 1 X F 0 12V输出CH1 其中第 2 块 GX5872 命名为 GX5872 2 配置 5V 输出的 DC DC 处理信号见表 8 共 18 路脉冲计数 表 8 GX5872 2 处理信号 序号信号名称信号类型信号方向通道号 1陀螺组件 2 G1 脉冲输出 I 组 N0 5V输出CH0 2陀螺组件 2 G1 脉冲输出 I 组 N0 5V输出CH1 第 27 页 GX5872 1 和 GX5872 2 实现的计数采用两种计数方式 分别是 连续脉冲计数和定时脉冲计数 6 1 4 GXRCIO GXRCIO 是一块专为测试设备开发的数字 IO 板卡 板卡基于 APCI5000 的标准接口板 该板核心芯片采用 FPGA 可根据用户的 不同需求进行专用的数字信号处理 板上带有 DC DC 电源模块 被 测信号和总线隔离 接口板提供 26 路光隔脉冲量输入 16 路光隔 脉冲量输出接口和 18 路非隔离 IO 引脚 在本设备中共使用 1 块 GXRCIO 处理信号见表 9 和 8 路温 度传感器通讯 温度传感器使用 DS18B20 表 9GXRCIO 处理信号 序号信号名称信号类型信号方向通道号 1DS18B20 1半双工异步通讯输入 输出CH0 2DS18B20 2半双工异步通讯输入 输出CH1 6 1 5APCI5488 APCI5488 是 APCI5000 系列模板中的一块通用光电隔离型 48 通道 12 位 A D 采集板 具有多种输入量程 允许电压或电流输 入 单通道最高采集速率可以达到 90KHz 本板采用高速光耦器件 对数字 模拟电路进行隔离 使系统抗干扰能力大大增强 同时又 不影响系统的处理速度 板内带有 DC DC 模块 系统只需要提供 单 5V 供电 模拟信号输入量程可设置为 0 5V 0 10V 2 5V 5V 和 10V 可将 48 个单端输入通道配置成 24 个差分输入通道 在本设备中共使用 2 块 APCI5488 第 28 页 其中第 1 块 APCI5488 命名为 APCI5488 1 处理信号见表 10 采集 36 路模拟量遥测信号 表 10 APCI5488 1 处理信号 序号信号名称信号类型信号方向通道号 1温度信号0 5V输入CH0 2马达信号0 5V输入CH1 3 4 其中第 2 块 APCI5488 命名为 APCI5488 2 处理信号见表 11 采集电源的电源值和电流值 表 11 APCI5488 2 处理信号 序号信号名称信号类型信号方向通道号 1组件 1 中 28V 加温电流值0 5V输入CH0 2组件 1 中 X 28V 电流值0 5V输入CH1 3 4 5 6 1 6APCI5487 DA 模块采用一块 APCI5487 APCI5487 是高精度的 16 位 48 路通用隔离模拟输出板 是基于 APCI5000 的标准接口板 该板核 心芯片采用 12 片 4 路串行 16 位电流输出的数模转换芯片 DAC8814 可提供 48 路电压信号输出 48 路模拟量输出为双极性 电压输出方式 输出电压范围为 10V 在本设备中共使用 1 块APCI5487 处理信号见表 12 共 2 路 脉冲计数 表 12 GX5872 1 处理信号 序号信号名称信号类型信号方向通道号 1温度信号0 5V输出CH0 2马达信号0 5V输出CH1 第 29 页 6 1 7GX5488 GX5488 是一块专为测试设备开发的高精度恒流源板 板卡符 合 APCI5000 系列工控机标准 本板卡可提供 3 路恒流源输出 该 板卡使用 18 位高精度 DA 芯片 经过测试本板卡误差优于 0 01 电流输出量程可根据需求进行配置 配置方式为更换接口电阻 常 用典型值包括 8mA 30mA 80mA 和 150mA 电流输出时 负 载应小于 330 板上带由 3 只 DC DC 模块 为 3 路电流输出分别 供电 使各路电流输出路间隔离 在本设备中共使用 N 块 GX5488 量程配置为 8mA 处理信 号见表 13 共 3 路恒流源输出 表 13 GX5488 处理信号 序号信号名称信号类型信号方向通道号 1X 通道 8mA 输出CH0 2Y 通道 8mA 输出CH1 3Z 通道 8mA 输出CH2 6 1 8 GXJDQ GXJDQ 是专用于控制电源输出控制的继电器控制板 板上有 32 个独立的通道 可对 32 路电源的输出进行控制 继电器使用 G6B 1114P 单路最大可通过电流为 5A 在本设备中共使用 1 块 GXJDQ 处理信号见表 14 所示 表 14 GXJDQ 处理信号 序号信号名称信号类型信号方向通道号 15V 供电控制0 12V输入CH0 212V 供电控制0 12V输入CH1 5V 电源输入5V输入CH0 12V 电源输入12V输入CH1 5V 电源输出5V输出CH0 12V 电源输出12V输出CH1 第 30 页 6 1 9 ZTLI1 ZTLI1 是一块专用电压 电流调理板 单板可对 12 路直流电源 的电压 和 5 路直流电源的电流进行调理 可将电源的电压 电流 信号转换成 0 5V 的电压信号 给 A D 采集板进行采集 该板采用 隔离运放 并且每个通道带有独立的 DC DC 模块 各路电源采集时 的路间隔离 在本设备中共使用 1 块 ZTLI1 处理信号见表 15 所示 表 15 GXJDQ 处理信号 序号信号名称信号类型信号方向通道号 15V 电源电压5V输入IN0 25V 电源电流200mA输入IN 1 3 4 6 1 10 前面板设计前面板设计 根据任务书要求前面板设计测试设备测控箱前面板 前面板示 意图如图 16 所示 第 31 页 图 16 测控箱前面板示意图 测试主机前面板主要提供测试的操作界面 前面板上安装 10 英寸高可靠 TFT 液晶显示屏 提供软件界面 显示 显示屏上显示测试数据和参数设置 并且能进行各种功能设定 和界面切换 前面板上安装有开关和指示灯 开关采用锁定是开关 当开关 按下电源输出 指示灯亮 开关抬起 电源不输出 指示灯灭 前面板上安装 220V 电源开关 有指示灯 控制测控箱的上电 和断电 前面板上安装 USB 键盘 鼠标和显示器等通用接口 可 连接外围输入输出设备 6 1 11 后面板设计后面板设计 后面板根据任务书要求进行设计 示意图如图 17 所示 第 32 页 产品电源输入插座 座针 KNHM34 001 KNHM34 002 串口 网口 温度传感器接口 接地桩 220V电源输入插座 供电X04 遥测X05 应急X06 KNHM34 002 加温XYZ 28V GND GND GND 28V 20V 20V 5 5V 28V 20V 20V 5 5V 28V 20V 20V 5 5V G4G5G6 28V 12V 28V 12V 28V GND GND 脉冲X01 脉冲X02 KNHM34 001 陀螺信号X03 电源X04 G1G2G3加温 图 17 测控箱后面板示意图 后面板上部为电压和负载电阻测试孔 插座的接点定义安装 IDS 表文件进行设计 使和被测对象的连 接电缆进行一对一设计 后面板上还提供测控箱对专用电源进行程序控制所用的 RS 232 通讯接口 与上位机通讯所用的以太网口 供给测试主机的的 220V AC 交流电源也从后面板上的插座接 入 此插座带有保险管 保护地接地柱可以在电源上没有提供保护 地时将外接保护地接入箱内 测试主机箱壳体和该接地柱相接 6 26 2电源电源箱箱 6 2 1 电源输入指标电源输入指标 输入电压为 AC220V 10 频率 50Hz 第 33 页 6 2 2 输出电压及功率输出电压及功率 第一路 DC28V 15 15A 第二路 DC20V 15 2 5A 第三路 DC20V 15 2 5A 第四路 DC12V 15 1 5A 第五路 DC12V 15 1 5A 第六路 DC5 5V 15 2A 各路输出均为独立输出 可以根据实际使用情况选择使用 6 2 3 调整率调整率 电压调整率 不大于 1 负载调整率 不大于 1 6 2 4 显示精度显示精度 电压显示精度 0 1V 电流显示精度 额定电流 1 6 2 5 保护功能保护功能 输出过压保护 过流保护 过温保护 输入过欠压保护 6 2 6 输出纹波输出纹波 第一路输出纹波峰峰值不大于 750mV 第二 三路输出纹波峰峰值不大于 200mV 第四 五路输出纹波峰峰值不大于 120mV 第六路输出纹波峰峰值不大于 80mV 6 2 7 程控程控 电源箱为程控电源 采用 RS232 总线 9600bps 1 停止位 无 第 34 页 校验位 电源箱可由程序控制实现以下功能 a 查询通道的工作状态 b 设定通道的工作参数 c 查询通道的工作参数 d 查询通道实际输出电压电流值 e 设置某一通道开关机 f 设置所有通道开关机 g 查询某一通道开关机状态 h 复位 其中设置通道工作参数包括 输出电压值 过压保护值和过流 保护值 6 36 3上位机上位机 上位机采用 HP 公司的 DC7900 配置的主要参数为 a Intel Core 2 Duo E6750 双核处理器 主频 2 66G b 标配 1G 内存 c 250GB 超大硬盘 d 19 寸的液晶显示器 e DVD 刻录机 f NVIDIA GeForce 8400 GS 独立显卡 运行 Windows XP 操作系统 6 46 4温度传感器温度传感器 系统使用温度传感器 DS18B20 对被测产品的温度进行测量量 并将测量结果传送到 FPGA 板 GXRCIO 进行读取 DS18B20 测温范 围为 55 125 精度 0 5 Comment A20 尽可能详细列 清 第 35 页 6 56 5展开箱展开箱 展开箱可以用电缆串联在测试连接线路上 方便手动测试被测 产品的信号及测控箱的输出信号 并用于测控箱标检 使用者可用 对应展开箱每个测试点位上的拨动开关手动断开 接入信号 6 66 6测试电缆测试电缆 配套测试电缆用于将测试系统的各部分连成一个整体 各部分电缆连接关系如图 18 所示 专用电源 测试设备 计算机 电源 X02X01 X03X04 X02X01 电源1 KNHM34 001 X02X01 X04 X04X03 供电 KNHM34 002 陀螺 信号 遥测应急 X02X01X05 X03 X05X06 脉冲2脉冲1 KNHM34 001KNHM34 002 图 18 电缆连接关系图 共 8 跟电缆 电缆的名称和连接对象见表 16 表 16 电缆名称和连接表 电缆名称连接描述 L01 设备 X01 到 404 X01 L02 设备 X02 到 404 X02 L03 设备 X03 到 404 X03 L04 设备 X04 到 404 X04 L05 设备 X05 到 404 X05 L06 设备 X06 到 404 X06 L07 设备 X07 到 404 X07 L08 设备 X08 到 404 X08 Comment A21 由软件部编写 Comment A22 删除不使用项 Comment A23 选择一种 第 36 页 7 软件软件方案方案 7 17 1软件需求分析软件需求分析 7 27 2软件开发与运行平台软件开发与运行平台 7 37 3测控箱软件设计方案测控箱软件设计方案 7 47 4测控箱软件主要模块流程图测控箱软件主要模块流程图 7 57 5计算机软件设计方案计算机软件设计方案 8 接口设计接口设计 8 18 1机械接口机械接口 测试设备采用 4