多慣組脈沖輸出同步計數系統設計

摘要：為滿足某慣導設備生產廠家對多個慣組產品進行同時測試的需求，設計了一種對于多路脈沖信號同步計數的測試系統。(方法)測試系統以FPGA芯片和USB芯片CY68013為核心，對4個慣導組件輸出的48路脈沖信號，每路進行無縫計數，每4ms為一個計數單元。并利用USB總線將每一個計數單元的計數值上傳到測控計算機，上位機程序進行實時的處理、保存和顯示。(方法)測試系統滿足了對多個慣組產品同時測試的要求，提高了測試效率。
關鍵字：慣導組件；USB；CY68013；FPGA

慣組產品是現代慣導系統最核心的信息源，由陀螺儀和加速度計組合而成。慣組產品工作時直接輸出脈沖信號。測試過程采用專用測試平臺，將產品固定在帶溫箱的三軸轉臺上，通過在不同的溫度下改變轉臺的位置和速率，由測試系統對其輸出的脈沖信號進行計數，再對計數值根據數學模型進行處理，從而得到慣組產品的性能參數。由于溫度是影響慣導組件的主要因素之一，所以需要在多個溫度點下，對其進行多次測試。而每個溫度點需要4個小時的保溫。因而完成一個產品的標定，一般需要三天左右的時間才能完成。針對這種情況，本文提出了一種多慣組同時測量的方案，利用FPGA對脈沖信號進行采集，再通過USB總線把采的數據發送到PC機上進行數據歸算。與傳統的測量系統相比，本系統可以對4個慣導組件的48路脈沖數據進行同步計數并輸出，進而有效地縮短測試周期，提高測試效率。

1 測試系統組成
多慣組脈沖測試系統是由下位機和上位機兩個部分構成。下位機由FPGA和USB接口電路組成，實現對脈沖信號的計數和數據的接收。上位機是MFC程序設計的界面，對接收到的數據進行實時的處理、顯示和保存。由于本系統是同時接收4套慣組48路脈沖信號，所包含的計數器個數多，計數頻率高，并且分別對48路信號獨立測量，要求較高的可靠性，所以系統采用FPGA來實現控制邏輯及計數模塊的功能。系統選用Altera公司的Cyclone IIEP2C89208C8N型號的FPGA芯片。在數據傳輸方面，選用Cypress公司的FX2LP CY68013芯片作為USB傳輸模塊。采集系統框圖如圖1所示。

在圖1中，通過Verilog語言對48路同步計數模塊進行設計，實現對48路脈沖信號的同步計數，將接收到的數據通過USB芯片CY68013發送到PC機，由PC機對接收到的數據進行處理，脈沖信號的計數是由無縫計數器，每隔4ms向48路計數模塊發送相應的地址，獲得48路脈沖計數模塊的計數值，再通過USB總線把數據發送到PC機上。
FX2LP CY68013芯片有PORTS、Slave FIFOs和GPIF三種接口方式：PORTS模式以CY68013自帶的8051核來進行端口FIFO的讀寫，其優點是開發簡單，缺點是傳輸速度有限；Slave FIFOs模式是使用外部芯片的邏輯來直接操作端口FIFO，其優點是端口FIFO操作靈活，缺點是傳輸速度依賴于外部控制邏輯的速度；GPIF模式是使用波形編輯工具生成的波形信號來進行端口FIFO的讀寫，其優點是傳輸速度最高，缺點是讀寫邏輯單一，不容易靈活控制。因為是對48路脈沖信號進行實時采樣計數，且每一路脈沖信號采用一個16位計數器，采樣周期為4毫秒，即每秒要采集250次。但在實際使用中發現，在PORTS模式下，由于8051內核執行速度有限，在極短的中斷時間內有時會不能完成其數據處理和傳輸的任務，此種狀態下USB端就會出現死循環狀態。但在Slave FIFO或CPIF模式下，傳輸和接收的端口將不經過8051內核干涉即可同片外高速互傳數據，從而提高接收發送串行信號的效率與可靠性。由于GPIF模式下的編輯波形只能進行讀寫操作，而在Slave FIFOs的模式下狀態機可以對數據進行簡單的處理。因此，本系統使用Slave FIFOs的傳輸模式。

2 系統的FPGA設計
2．1 48路脈沖計數模塊設計
系統的48路脈沖計數模塊設計是通過使用Verilog語言編寫的16位計數器，可以對慣導組件輸出的信號分別進行不間斷計數，計數值讀取過程不影響計數器的正常計數，該模塊data_in[47…0]是48路慣導組件的脈沖輸入，add_in [6…0]是每個脈沖輸入通道的地址，data_out[15…0]是計數單元的計數值輸出。