星載電子設備多余物數據采集系統的設計

摘要：為實現尺寸較大、內部結構較為復雜的星栽電子設備的多余物自動檢測，設計了以EZ-USB FX2和CPLD芯片為核心器件的數據采集卡，實現了四通道的同步數據采集和傳輸。此系統包括數據采集、數據緩存以及數據控制和傳輸，分別采用了采樣率為500 k的12位A／D轉換器件AD7892、16 kx18位的FIFO CY7C4265、EPM7064和USB芯片CY7C68013。重點介紹了數據采集系統的硬件組成和軟件設計，包括USB的固件程序、CPLD的控制程序和主機用戶程序。實驗結果表明，該系統能達到穩定傳輸速度為15．4 MB／s，保證了四通道同時以500 k的采樣率工作的穩定性和正確性。
關鍵詞：多余物；電子設備；USB；CPLD；CY7C68013

星載電子設備是航天電子系統中不可缺少的電氣部分，直接影響著航天電子系統的可靠性。多余物是影響電子設備可靠性的主要因素之一。多余物是指在電子設備生產、制造、封裝及使用過程中在其密封腔體內部殘留或產生的各種金屬或非金屬顆粒。在航天設備工作過程中，外部沖擊或振動使多余物游離隨機運動碰撞，可能導致電子設備內部器件誤動作或失效，甚至造成航天事故，是亟待解決的重大問題。
微粒碰撞噪聲檢測法(Particle Impact Noise Detection，PIND)是目前應用最為廣泛的一種多余物檢測方法。目前，元器件級(如繼電器)的PIND方法已經被列入我國軍事工業標準，對保證我國應用于航天型號中軍用電子元器件有無多余物起到了重要的作用。相對于電子元器件，電子設備的尺寸更大、重量更重、內部結構更為復雜，由于電子設備和電子元器件在諸多方面的差異，使得電子元器件的PIND方法無法適用于電子設備。針對電子設備這樣系統級的多余物檢測方法，還沒有標準可循，相關的研究還處于探索階段。
數據采集技術是多余物檢測系統中一個極為重要的信息處理環節，考慮到利用各通道數據的相關性分析，采用同步實時的多通道信號采集技術，可為自動判別多余物的存在與否提供了較為豐富的數據。數據傳輸給上位機有多種方式，USB支持主機與各種即插即用的外設之間進行數據傳輸，支持不同速率的同步和異步傳輸方式，理想的最高傳輸速率可達480 Mb／s，具有傳輸數率高和便攜等特點。USB設備應用于數據的實時采集是非常合適的，已逐漸取代各種傳統的設備(如RS232、PCI設備等)，在實際中應用更加方便。目前，市場上現有的USB數據采集卡較多，但成本較高、非同步采集和傳輸靈活性差等缺點。
本文是在星載電子設備的多余物檢測系統的需求下，依據電子設備尺寸更大、重量更重、內部結構更為復雜以及多余物信號的頻率特性，設計并實現了采樣速率為500 k的四通道同步實時數據連續采集系統，采用USB傳輸方式。

1 系統總體設計
本系統是將輸入的四路模擬信號通過前端的信號調理電路進行調理，再經過轉換器件AD7892轉換成數字信號量，經過外部FIFO(先進先出)CY7C4265的緩存，將采集到的數據有序且快速地傳輸至USB控制器CY7C68013，再將數據傳輸至上位機進行分析和處理。當上位機發出采集數據控制命令后，經CY7C68013分析，通知邏輯控制芯片EPM7064對A／D和外部FIFO進行初始化，并啟動A／D開始采集數據。四通道數據采集卡結構框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計
本系統硬件設計主要由數據采集模塊、數據緩存模塊以及數據控制和傳輸模塊組成。
2．1 數據采集模塊
前端的模擬信號量通過信號調理電路進行放大、濾波、整形，再經過電壓跟隨電路將信號傳送至AD7892轉換成數字量。AD7892是一款高速、低功耗、12位轉換精度的模數轉換器件，內部集成電壓跟蹤保持器和過電壓保護電路。AD7892由外部電源系統提供5 V的采樣參考電壓，外部邏輯控制器件CPLD提供500 k的采樣頻率，可采集-5～+5 V的模擬量。由此得到可輸入的最小模擬電壓：1 LSB=10 V／4 096=2．44 mV。
2．2 數據緩存模塊
系統為四通道連續且同步采集，每一次采集的數據量較大，而只有一個USB控制器，必須設計數據緩存模塊。數據緩存芯片采用了Cypr-ess公司的16 Kx18位的FIFO CY7C4265芯片。此芯片是一款高速、低功耗CMOS時鐘存儲器，它的讀寫端口使用同步接口，每一個端口的時鐘都是相互獨立的，這些時鐘可以是同步，也可以是異步州。這使得FIFO的讀寫端口能以不同的速度運行，其寫時鐘端口與AD7892的采樣保持同步，保證了數據的不丟失。

2．3 數據控制和傳輸模塊
EZ—USB FX2系列芯片CY7C68013簡化結構框圖如圖2所示。該芯片支持USB2．0規范，同時向下兼容USB1．1規范的單片機。該芯片把USB2．0收發器、串行接口引擎SIE、增強的8051內核、GPIF等集成于一體，內含4 kB的FIFO(端點緩沖區)，可配置為不同大小緩沖區的IN或OUT端點(EP2、EP4、EP6、EP8)，具有USB協議的4種傳輸方式，即控制方式、中斷方式、批量方式和同步傳輸方式。Cypress公司為用戶使用FX2提供了較為完善的軟件開發工具包，降低了系統的開發難度。

FX2可配置成3種不同的接口模式，即Ports、GPIFMaster和Slave FIFO模式。在Slave FIFO模式下，FIFO[1：0]引腳作為地址線選擇4個端點FIFO中的一個與FD總線連接，SLCS相當于片選信號。Slave FIFO模式又分為異步方式和同步方式的傳輸。在異步方式下，SLRD和SLWR是讀／寫選通信號；同步方式下，SLRD和SLWR作為IFCLK時鐘引腳的使能信號。Slave FIFO模式是將FX2的FIFO作為外部控制器(CPLD或MCU)的從屬FIFO，外部控制器可像對普通FIFO一樣對FX2的FIFO進行讀寫。USB在傳輸數據時不考慮包的大小，可以明顯提高效率，加快了開發的進度。本系統采用了Slave FIFO模式的異步方式進行數據傳輸。