FPGA設(shè)計(jì)與配置

　　現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)器件選用基于SRAM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的FPGA芯片XC2S100E^[3]。設(shè)計(jì)過程中將XC2S100E工作于主動(dòng)串行模式。FPGA的程序存放在外部PROM XC18V01中，這些程序可以通過加電自動(dòng)加載到FPGA中或通過命令加載。在主動(dòng)串行模式下，系統(tǒng)加電時(shí)產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)XC18V01的時(shí)鐘信號，通過這個(gè)時(shí)鐘脈沖，XC18V01中的數(shù)據(jù)通過XC2S100E送到FPGA。FPGA與配置芯片的連接關(guān)系如圖4所示。　　

 

　　轉(zhuǎn)速測量模塊的設(shè)計(jì)

　　采用嵌入式單片機(jī)和FPGA相結(jié)合對轉(zhuǎn)速測量模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對轉(zhuǎn)速信號的采集、運(yùn)算和分析實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測。某型發(fā)動(dòng)機(jī)四路轉(zhuǎn)速信號經(jīng)機(jī)載傳感器轉(zhuǎn)化為四路頻率信號，該頻率信號經(jīng)74LV04反向驅(qū)動(dòng)后，送入FPGA的I/O口采集計(jì)數(shù)，然后嵌入式單片機(jī)通過數(shù)據(jù)總線讀取FPGA的計(jì)數(shù)值，并通過軟件計(jì)算出最終的轉(zhuǎn)速值，電路如圖5所示，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)時(shí)間門限的開通、關(guān)閉及計(jì)數(shù)，然后將計(jì)數(shù)值送入嵌入式軟件平臺，實(shí)時(shí)計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值。20MHz晶振時(shí)鐘電路，為FPGA提供外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號。LED1~4為狀態(tài)指示燈。根據(jù)指標(biāo)要求，頻率的分辨率等于1Hz，因此程序中把對頻率的計(jì)數(shù)門限時(shí)間設(shè)為1秒，門限時(shí)間的設(shè)置以外部的參考晶振為基準(zhǔn)，通過計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)?！　?/p>

 

　　溫度與壓力測量模塊的設(shè)計(jì)

　　溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，經(jīng)專用適配器將其轉(zhuǎn)化為0到+5V的模擬量。16路模擬信號，經(jīng)多路開關(guān)后，送入調(diào)整電路，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最后利用FPGA采集處理后通過數(shù)據(jù)總線來讀取FPGA運(yùn)算值，并通過軟件做較簡單的計(jì)算得出最終的測量結(jié)果，測量的結(jié)果可以保存在SD卡存儲器中。

　　測量電路組成如圖6所示。由通道選擇電路，信號調(diào)整電路和AD轉(zhuǎn)換電路三部分組成。AD轉(zhuǎn)換后將采集到的數(shù)據(jù)量輸入到FPGA里。(1)通道選擇電路：采用1片16路多路開關(guān)MAX396完成對多路模擬信號的輸入選擇，其地址位A0A1A2A3決定輸入信號對應(yīng)的輸出通道號，EN使能端控制是否處于工作狀態(tài)。A0A1A2A3和EN均可通過FPGA編程來實(shí)現(xiàn);(2)信號調(diào)整電路：采用美國ADI公司的運(yùn)算放大器AD8605為核心進(jìn)行設(shè)計(jì);(3)AD轉(zhuǎn)換電路：選用4通道、12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件MAX1282，采樣頻率為400kHz?！　?/p>

 

　　為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，設(shè)計(jì)中采用數(shù)字濾波方法，將輸入信號經(jīng)過低通濾波器處理，可有效地消除輸入信號中的高頻噪聲信號^[6]。

　　測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括Windows CE的移植、驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)^[7]。

　　Windows CE系統(tǒng)移植

　　Windows CE操作系統(tǒng)從體系結(jié)構(gòu)上具有分層結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可以被裁減和重新配置，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。開發(fā)人員使用該系統(tǒng)提供的集成開發(fā)環(huán)境(Platform Builder簡稱PB)可根據(jù)它的提示完成操作系統(tǒng)鏡像的定制、編譯與調(diào)試工作，并可在此環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用軟件和驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。