摘  要：針對航天檢測設(shè)備中信號源單一,、不可調(diào)等缺點,，提出并實現(xiàn)了一種以title="FPGA" target="_blank">FPGA 、title="高速D／A">高速D／A,、繼電器AQY210為核心,，結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活,，信號質(zhì)量高的多功能信號源生成系統(tǒng),。該系統(tǒng)可提供各種頻率、幅值,、偏置等參數(shù)可調(diào)的模擬信號,，成功應(yīng)用于工業(yè)控制開關(guān)量輸出性能檢測,。同時，上位機與硬件通信的接口使用了USB-單片機（CY7C68013）和USB-FIFO(FT245)兩種方案,，并進行實際對比,，提出其適用條件和范圍。
關(guān)鍵詞：FPGA,；高速D／A,；AQY210；信號源,；USB

    傳統(tǒng)產(chǎn)品級信號源往往只能產(chǎn)生單一信號,，滿足不了科研和實際檢測的需要。尤其在復(fù)雜的航天環(huán)境實驗中,，需要信號源能產(chǎn)生不同種類和參數(shù)可調(diào)的信號,，作為系統(tǒng)自檢時的信號輸入，以此檢測目標設(shè)備的工作狀態(tài)和各項性能指標,為目標設(shè)備正常工作提供依據(jù),。
    現(xiàn)場可編程邏輯陣列器件（FPGA）具有編程方便,、高集成度、高可靠性等優(yōu)點,。為了滿足科研和實際測試要求,，本文設(shè)計了一種以FPGA、高速D/A為核心,，能產(chǎn)生多路頻率可調(diào)信號的信號源系統(tǒng),。該系統(tǒng)中波形數(shù)據(jù)、控制命令字由上位機發(fā)出,，通過FPGA控制在數(shù)據(jù)存儲器中存儲波形數(shù)據(jù),，并將波形數(shù)據(jù)讀出送入DAC進行數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到相應(yīng)的模擬信號波形及開關(guān)量的控制。利用上述方法設(shè)計的信號源,，信號產(chǎn)生靈活,、功能擴展方便、信號參數(shù)可調(diào),，實現(xiàn)了硬件電路的軟件化設(shè)計,，具有特殊的現(xiàn)實意義和廣泛的應(yīng)用前景[1]。
1 系統(tǒng)設(shè)計
    本信號源系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)輸出（上位機軟件）,、USB數(shù)據(jù)傳輸接口,、數(shù)據(jù)緩沖與存儲（FIFO和SRAM）、控制部分(FPGA) ,、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及調(diào)理（DAC,、跟隨器）及開關(guān)量的輸出等6個模塊組成。
    系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示,，其具體工作流程為：PC機發(fā)送數(shù)據(jù)至USB單片機端點FIFO,，當(dāng)數(shù)據(jù)大小達到512 B時,，數(shù)據(jù)自動打包后送入外部緩沖FIFO。FIFO是一種先進先出的數(shù)據(jù)緩存器,，它與普通存儲器的區(qū)別在于沒有外部讀寫地址線,，靠空/滿標志的產(chǎn)生來控制數(shù)據(jù)的寫入與讀出。在FPGA控制模塊中,，當(dāng)FPGA接收到FIFO半滿信號后,，由FPGA控制將波形，數(shù)據(jù)存于SRAM中,。然后FPGA控制波形數(shù)據(jù)從SRAM中取出后送D/A進行轉(zhuǎn)換,，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換和調(diào)理電路后即得所需波形，或直接由FPGA將數(shù)據(jù)發(fā)送到繼電器來控制外部供電系統(tǒng)的開斷,。

2 模塊設(shè)計
2.1 USB傳輸部分
    USB 接口即“通用串行總線接口”,，是應(yīng)用于計算機領(lǐng)域的新型接口之一，它使得外圍設(shè)備與計算機的連接更加高效,、便利。USB 接口不僅具有傳輸速率快,、即插即用,、支持熱插拔等特點，而且易于擴展,，可以有效地解決計算機外圍接口不足的問題,。隨著在工程實際中對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室笤絹碓礁撸瑐鹘y(tǒng)的串口,、并口傳輸已經(jīng)不能滿足數(shù)據(jù)傳輸速率的要求,，而USB2.0 接口最高可達480 Mb/s 的高速傳輸速率，使得計算機和外圍設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸成為可能,。同時,，USB 接口設(shè)備的普及也促使其成為數(shù)據(jù)高速傳輸中設(shè)備連接的首選接口。
    本設(shè)計考慮了兩種USB2.0通信接口設(shè)計模式：(1) 基于USB 單片機的接口設(shè)計,。例如以Cypress 公司開發(fā)的CY7C68013 單片機為控制核心而設(shè)計的USB 通訊接口,；(2)基于協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片的接口設(shè)計，例如以FTDI 公司推出的FT245BM 協(xié)議接口芯片為控制核心的USB 通信接口,。
    (1)USB-單片機
    CY7C68013單片機[2]的GPIF接口有16位數(shù)據(jù)線,、6個RDY信號和6個CTL信號。RDY信號用于對輸入的信號進行判斷,， CTL用于輸出對外部器件的控制命令,，16位數(shù)據(jù)線用于單片機與外部器件進行數(shù)據(jù)交換和傳輸。該芯片集成了51單片機內(nèi)核,、USB2.0收發(fā)器,、串行接口引擎(SIE),、4 KB FIFO存儲器以及通用可編程接口等模塊，這些模塊保證了CY7C68013與DSP,、ATA等外圍器件實現(xiàn)無縫,、高速的數(shù)據(jù)傳輸。
    (2)USB-FIFO
    FT245BM是由FTDI公司推出的USB協(xié)議芯片,。FT245BM內(nèi)含2個FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū),。一個是128 B的接收緩沖區(qū)，另一個是384 B的發(fā)送緩沖區(qū),。它們用作USB數(shù)據(jù)與并行I/O口數(shù)據(jù)的交換緩沖區(qū),。FIFO是實現(xiàn)與外界(微控制器、FPGA或其他器件)數(shù)據(jù)互換的接口,，它主要通過8根數(shù)據(jù)線DO～D7,、讀寫控制線RD和WR以及FIFO發(fā)送緩沖區(qū)空標志TXE和FIFO接收緩沖區(qū)非空標志RXF來完成數(shù)據(jù)的交互。FT245BM與FPGA之間的邏輯連接圖如圖2所示,。

    通過USB-單片機和USB-FIFO兩種傳輸方式的對比來看,，F(xiàn)T245BM USB接口協(xié)議芯片具有設(shè)計簡單、使用簡便的特點,。但是,，由于受其芯片內(nèi)部FIFO空間所限，導(dǎo)致傳輸速率有限,，最高只能達到1 MB/s左右,；同時由于波形數(shù)據(jù)和控制命令字都是通過DATA(7:0) 8個端口進行輸入或輸出，所以在傳輸時是分時復(fù)用的,，不僅在上位機和底層硬件通信時帶來很大的不便,，而且降低了信號源的頻率，遠遠小于1 MB/s[3],。
    CY7C68013單片機具有傳輸速率快,、程序設(shè)計靈活性強、傳輸速率高等特點,。它支持12 Mb/s的全速速率和480 Mb/s高速傳輸速率,，并且用戶可以根據(jù)實際情況來編寫和修改數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蚰K，但是其程序的設(shè)計相對FT245BM來說比較復(fù)雜,，需要用戶根據(jù)實際需求來開發(fā)相關(guān)的動態(tài)鏈接庫和應(yīng)用程序,以完成對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂啤?br />     兩種基于USB的設(shè)計方法各有優(yōu)缺點,，根據(jù)實際實驗設(shè)計的需要，在傳輸速率不高,、接口設(shè)計比較簡單的情況下,，可以考慮使用FT245BM USB接口協(xié)議芯片。而對于傳輸速率要求較高，接口設(shè)計比較復(fù)雜,，同時要求根據(jù)實際需求來設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸模塊的場合,，可以考慮使用CY7C68013 USB單片機。本設(shè)計在前期試驗中采用FT245BM,但由于傳輸速度的限制以及控制的實時性,，最終采用了CY7C68013 USB單片機設(shè)計模式,。
2.2 FPGA控制部分
    FPGA程序控制流程圖如圖3所示。

    FPGA有兩種工作模式：第一種是數(shù)據(jù)存儲模式,，即控制讀取FIFO中的波形數(shù)據(jù)并存儲到SRAM中,。進入這種工作模式后，F(xiàn)PGA判斷FIFO的空信號是否有效,；如果FIFO的空信號無效,，則FPGA控制FIFO的讀信號有效，從FIFO中讀取波形數(shù)據(jù)存儲到SRAM中,。SRAM的存儲方式采用分塊存取的方式,，在數(shù)據(jù)讀取時可通過分塊掃描的方式均勻讀出各種波形數(shù)據(jù)，并且通過簡單的修改掃描頻率即可控制波形頻率,。第二種是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模式,，即控制讀取SRAM中的波形數(shù)據(jù)傳送給D/A轉(zhuǎn)換器，并控制D/A轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換和對繼電器開斷,。
2.3 D/A轉(zhuǎn)化部分和開關(guān)電路[4-5]
    DAC715是美國TI公司生產(chǎn)的16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器,，該芯片具有16位數(shù)據(jù)總線，可在工作電壓為±12 V或±15 V時,，實現(xiàn)0 V～10 V的模擬電壓輸出,。FPGA主要通過DAC715的輸入工作選通信號WR,、寄存器控制信號A0和D/A鎖存控制信號A1 來控制DAC715完成數(shù)模轉(zhuǎn)換,。DAC715輸入數(shù)據(jù)與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

    本設(shè)計的開關(guān)量采用繼電器AQY210,，該繼電器是電流驅(qū)動,，電路連接圖如圖4所示。

    本文所設(shè)計的信號源利用USB接口技術(shù),，實現(xiàn)了計算機命令字和波形數(shù)據(jù)的實時下載,使得產(chǎn)生的信號頻率,、幅值和偏置靈活可調(diào)，可滿足不同的實驗要求,，同時對外部供電系統(tǒng)可以靈活控制,。事實上，這種控制的靈活性也使其在航天測試上得到了廣泛運用,。
參考文獻
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