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箭載遙測變換器測試臺的設計與實現(xiàn)

2008-07-30
作者:袁偉濤, 張斌珍, 劉文怡

??? 摘??要:? 針對箭載數(shù)字量" title="數(shù)字量">數(shù)字量變換器" title="變換器">變換器性能參數(shù)要求,開展了其相應測試設備即測試臺" title="測試臺">測試臺的設計與研究。給出了測試臺各路信號的具體設計方法,闡述了以單片機80C196KB、CPLD和可編程M82C54計數(shù)器/定時器為核心的實現(xiàn)原理。
??? 關鍵詞: 測試臺; 數(shù)字量; 計算機字;? CPLD

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??? 在火箭發(fā)射試驗中, 常用遙測系統(tǒng)獲取其內部各系統(tǒng)的工作狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù),為評定火箭的性能及故障分析提供依據(jù)。數(shù)字量遙測變換器作為遙測系統(tǒng)箭上設備的核心,它的主要功能是控制接收箭上各種飛行參數(shù)。數(shù)字量遙測變換器的可靠性是影響遙測結果的核心環(huán)節(jié),其精度關系到火箭研制和實驗過程中的實驗數(shù)據(jù)可信度,其性能關系到實驗的成敗。如何準確、客觀、高效地評價數(shù)字量遙測變換器的性能,是數(shù)字量遙測變換器生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。數(shù)字量變換器測試臺是遙測設備專用的測試設備,它是集信號自動發(fā)生、自動檢測、自動計量和數(shù)據(jù)分析于一體的大型應用系統(tǒng),是專門針對數(shù)字量遙測變換器檢測用的測試系統(tǒng)。
  本課題就是針對某型號火箭數(shù)字量遙測變換器進行相應數(shù)字量變換器測試臺的設計與研究。
1 系統(tǒng)原理設計
  測試臺組成框圖如圖1所示。當系統(tǒng)上電后,單片機開始復位,此時單片機執(zhí)行一系列的初始化操作,然后以非屏蔽中斷信號(即幀同步信號)作為系統(tǒng)程序操作循環(huán)執(zhí)行的觸發(fā)源,在每一幀的循環(huán)中,主程序通過判斷路同步信號一邊讀群信號,一邊進行查詢操作,在查詢過程中不停地對雙端口存儲器中放置系統(tǒng)工作狀態(tài)的單元進行查詢,把查詢的結果與系統(tǒng)的設定相比較,從而進行相應的操作。

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  當讀出電壓檢測代碼操作后,就轉向電壓操作子程序。
  當讀出電壓拉偏試驗時,就轉向相應的拉偏電壓輸出子程序。
  當讀出的是系統(tǒng)設定代碼時,系統(tǒng)等待計算機向雙端口存儲器中寫入操作代碼后,轉向相應的程序。
  當讀出的是系統(tǒng)自檢代碼時,系統(tǒng)執(zhí)行自檢操作。
  當讀出的是系統(tǒng)脈沖信號" title="脈沖信號">脈沖信號代碼時,系統(tǒng)執(zhí)行發(fā)送脈沖信號操作。
  當接收到計算機字中斷后,系統(tǒng)執(zhí)行相應的計算機字操作。
2 源電壓檢測電路的設計
  根據(jù)要求,測試臺能對供電電壓進行實時檢測和顯示。在本系統(tǒng)中使用80C196KB中的內置10位A/D" title="A/D">A/D轉換器。由于供電電壓的變化范圍為28~31V,而A/D變換器的量程為0~5V,所以必須通過分壓電路才能輸入到A/D中。為了防止由于繼電器接通后電壓的波動而損害單片機,在芯片的模擬量輸入端加了5V穩(wěn)壓二極管來實現(xiàn)過壓保護。
  在工作時,控制軟件啟動A/D變換器進行采集,經(jīng)過若干時間(>A/D轉換時間)后再讀入A/D轉換結果,并將其寫入規(guī)定的存儲器單元中。計算機在每次讀入群信號的同時也讀入了電壓值,并加以顯示。
3 幀路碼同步信號設計
  由系統(tǒng)輸出的信號的波形及時序要求(圖2)可以知道,幀、碼同步信號是2路勤務信號,用于數(shù)字量變換器內部的時序控制。根據(jù)這2路信號,變換器進行群信號的編碼以串行的形式發(fā)送給測試臺以供讀取。所以在設計過程中測試臺也需要相應的副幀、路、碼同步信號來配合群信號的讀取。根據(jù)群信號的時序特征和副幀、路、碼同步信號生成一個數(shù)據(jù)時序文件。然后將其寫入一片EPROM存儲器28C64,28C64共有13位地址線,可以計算出存儲單元為8 192個,如果通過地址推進來輸出這些同步信號,可以得出地址推進速度為:25ms/8 192=3μs。地址推進采用具有異步復位端的二進制計數(shù)器4024來完成。4024的時鐘源是用CPLD對4.096MHz的晶振信號進行12分頻得到的。

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?  開始工作時, 4024在時鐘信號的推動下進行地址的循環(huán),從而在28C64的D0、D1、D2數(shù)據(jù)端輸出3路勤務信號。4024的異步復位端直接接地。2片4024級聯(lián)后連續(xù)的地址推進可實現(xiàn)連續(xù)的勤務信號輸出。具體電路設計如圖3所示。

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??? 設計完畢后,經(jīng)測試,得到圖4幀、路、碼同步信號波形,滿足了系統(tǒng)要求。

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4 脈沖信號設計
??? 由于本測試系統(tǒng)的信號是多路、不同頻率、不同個數(shù),且可以同時發(fā)出單個脈沖和組脈沖,互不影響,實現(xiàn)起來有一定的難度。因此采用以80C196KB單片機為控制核心,以8254計數(shù)器/定時器為主要實現(xiàn)芯片,采用CPLD為邏輯控制單元。
4.1 加表脈沖信號
??? 加表脈沖信號共6路,正表和負表各占3路,正負表的頻率和脈沖數(shù)均可以通過計算機進行預置。計算機通過雙端口存儲器與單片機的通信對8254編程來預置加表脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。
??? 由于加表脈沖可預置范圍在0~224個,這樣至少需要24位計數(shù)器,但1片8254中每個計數(shù)器是16位的,因此采用了3片8254,共計9個16位計數(shù)器,在功能分配上,1個用于產(chǎn)生3μs的時鐘信號,2個用于控制奇數(shù)和偶數(shù)路的頻率,3個級聯(lián)用于產(chǎn)生奇數(shù)路的脈沖個數(shù),3個級聯(lián)用于產(chǎn)生偶數(shù)路脈沖個數(shù),如圖5所示。將8254作為任意分頻器使用,通過對8254計數(shù)器初始值的設置就實現(xiàn)了慣組脈沖頻率的設定。

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??? 對計數(shù)的每個計數(shù)器來說,必須有初始值,且初始值不能為0,即低位、中位和進位必須有初始不為0的數(shù)。這樣才能保證計數(shù)的順利進行。當脈沖個數(shù)設置為1時,中位和進位必須為0,這時就需要修改計數(shù)器的工作模式,只需把低位計數(shù)器改為模式五(硬件觸發(fā)的選通信號發(fā)生器),初始值設為10即可。此時發(fā)出的脈沖是單脈沖,其脈沖寬度為一個時鐘周期,經(jīng)示波器觀察,其寬度為250ns左右。CPLD加表正脈沖通道選通及脈沖個數(shù)控制如圖6所示。

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??? 加表負脈沖、慣組正負脈沖和陀螺正負脈沖與加表正脈沖實現(xiàn)方法一致。
4.2 計算機字信號的設計
??? 由技術要求知計算機字信號是一路串行輸出的“0”、“1”碼。計算機字信號共9個字節(jié)72位。因此選用了可以移位/置數(shù)的8位移位寄存器74165,計算機字共72位,需9片74165移位寄存器。每片的移位/置數(shù)端由譯碼器74154產(chǎn)生的譯碼信號控制,而74154的地址輸入端為80C196KB單片機的高4位地址線。工作時測試臺先通過單片機對譯碼器進行控制來產(chǎn)生控制信號對74165進行并行置數(shù),然后將PL端變低進行移位操作,移出計算機字。原理圖如圖7所示。

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??? 利用系統(tǒng)計算機字的實現(xiàn)方式與箭機計算機字實現(xiàn)方式相似,這里不在贅述。
5?雙機通信接口電路的設計
??? 此系統(tǒng)包括軟件和硬件兩大部分,硬件靠軟件支持工作。計算機和單片機不僅能向各部分硬件電路預置各種狀態(tài),而且還能從硬件電路中讀出各種輸出信號、數(shù)據(jù),加以判斷、識別。這就需要有一套在軟件和硬件中進行聯(lián)絡的電路,由此以雙端口存儲器作為主要元件,實現(xiàn)了計算機和單片機的數(shù)據(jù)交換。
??? 雙機通信接口電路如圖8所示,單片機的地址和數(shù)據(jù)由雙端口RAM IDT7130的A口進行讀寫操作,計算機的地址/數(shù)據(jù)則由B口進行讀寫操作,二者可以實現(xiàn)異步讀寫操作,單片機通過握手信號來與計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

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??? 測試臺通過與變換器聯(lián)試,滿足了系統(tǒng)提出的各種要求,能夠對變換器的各項性能進行檢測。檢測結果:預設置頻率與實現(xiàn)頻率的誤差在±0.02%以內,脈沖個數(shù)準確率達100%。


參考文獻
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