星载电子设备多余物数据采集系统的设计

摘要：为实现尺寸较大、内部结构较为复杂的星栽电子设备的多余物自动检测，设计了以EZ-USB FX2和CPLD芯片为核心器件的数据采集卡，实现了四通道的同步数据采集和传输。此系统包括数据采集、数据缓存以及数据控制和传输，分别采用了采样率为500 k的12位A／D转换器件AD7892、16 kx18位的FIFO CY7C4265、EPM7064和USB芯片CY7C68013。重点介绍了数据采集系统的硬件组成和软件设计，包括USB的固件程序、CPLD的控制程序和主机用户程序。实验结果表明，该系统能达到稳定传输速度为15．4 MB／s，保证了四通道同时以500 k的采样率工作的稳定性和正确性。
关键词：多余物；电子设备；USB；CPLD；CY7C68013

    星载电子设备是航天电子系统中不可缺少的电气部分，直接影响着航天电子系统的可靠性。多余物是影响电子设备可靠性的主要因素之一。多余物是指在电子设备生产、制造、封装及使用过程中在其密封腔体内部残留或产生的各种金属或非金属颗粒。在航天设备工作过程中，外部冲击或振动使多余物游离随机运动碰撞，可能导致电子设备内部器件误动作或失效，甚至造成航天事故，是亟待解决的重大问题。
    微粒碰撞噪声检测法(Particle Impact Noise Detection，PIND)是目前应用最为广泛的一种多余物检测方法。目前，元器件级(如继电器)的PIND方法已经被列入我国军事工业标准，对保证我国应用于航天型号中军用电子元器件有无多余物起到了重要的作用。相对于电子元器件，电子设备的尺寸更大、重量更重、内部结构更为复杂，由于电子设备和电子元器件在诸多方面的差异，使得电子元器件的PIND方法无法适用于电子设备。针对电子设备这样系统级的多余物检测方法，还没有标准可循，相关的研究还处于探索阶段。
    数据采集技术是多余物检测系统中一个极为重要的信息处理环节，考虑到利用各通道数据的相关性分析，采用同步实时的多通道信号采集技术，可为自动判别多余物的存在与否提供了较为丰富的数据。数据传输给上位机有多种方式，USB支持主机与各种即插即用的外设之间进行数据传输，支持不同速率的同步和异步传输方式，理想的最高传输速率可达480 Mb／s，具有传输数率高和便携等特点。USB设备应用于数据的实时采集是非常合适的，已逐渐取代各种传统的设备(如RS232、PCI设备等)，在实际中应用更加方便。目前，市场上现有的USB数据采集卡较多，但成本较高、非同步采集和传输灵活性差等缺点。
    本文是在星载电子设备的多余物检测系统的需求下，依据电子设备尺寸更大、重量更重、内部结构更为复杂以及多余物信号的频率特性，设计并实现了采样速率为500 k的四通道同步实时数据连续采集系统，采用USB传输方式。

1 系统总体设计
    本系统是将输入的四路模拟信号通过前端的信号调理电路进行调理，再经过转换器件AD7892转换成数字信号量，经过外部FIFO(先进先出)CY7C4265的缓存，将采集到的数据有序且快速地传输至USB控制器CY7C68013，再将数据传输至上位机进行分析和处理。当上位机发出采集数据控制命令后，经CY7C68013分析，通知逻辑控制芯片EPM7064对A／D和外部FIFO进行初始化，并启动A／D开始采集数据。四通道数据采集卡结构框图如图1所示。

2 系统硬件设计
    本系统硬件设计主要由数据采集模块、数据缓存模块以及数据控制和传输模块组成。
2．1 数据采集模块
    前端的模拟信号量通过信号调理电路进行放大、滤波、整形，再经过电压跟随电路将信号传送至AD7892转换成数字量。AD7892是一款高速、低功耗、12位转换精度的模数转换器件，内部集成电压跟踪保持器和过电压保护电路。AD7892由外部电源系统提供5 V的采样参考电压，外部逻辑控制器件CPLD提供500 k的采样频率，可采集-5～+5 V的模拟量。由此得到可输入的最小模拟电压：1 LSB=10 V／4 096=2．44 mV。
2．2 数据缓存模块
    系统为四通道连续且同步采集，每一次采集的数据量较大，而只有一个USB控制器，必须设计数据缓存模块。数据缓存芯片采用了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时钟存储器，它的读写端口使用同步接口，每一个端口的时钟都是相互独立的，这些时钟可以是同步，也可以是异步州。这使得FIFO的读写端口能以不同的速度运行，其写时钟端口与AD7892的采样保持同步，保证了数据的不丢失。

2．3 数据控制和传输模块
    EZ—USB FX2系列芯片CY7C68013简化结构框图如图2所示。该芯片支持USB2．0规范，同时向下兼容USB1．1规范的单片机。该芯片把USB2．0收发器、串行接口引擎SIE、增强的8051内核、GPIF等集成于一体，内含4 kB的FIFO(端点缓冲区)，可配置为不同大小缓冲区的IN或OUT端点(EP2、EP4、EP6、EP8)，具有USB协议的4种传输方式，即控制方式、中断方式、批量方式和同步传输方式。Cypress公司为用户使用FX2提供了较为完善的软件开发工具包，降低了系统的开发难度。

    FX2可配置成3种不同的接口模式，即Ports、GPIFMaster和Slave FIFO模式。在Slave FIFO模式下，FIFO[1：0]引脚作为地址线选择4个端点FIFO中的一个与FD总线连接，SLCS相当于片选信号。Slave FIFO模式又分为异步方式和同步方式的传输。在异步方式下，SLRD和SLWR是读／写选通信号；同步方式下，SLRD和SLWR作为IFCLK时钟引脚的使能信号。Slave FIFO模式是将FX2的FIFO作为外部控制器(CPLD或MCU)的从属FIFO，外部控制器可像对普通FIFO一样对FX2的FIFO进行读写。USB在传输数据时不考虑包的大小，可以明显提高效率，加快了开发的进度。本系统采用了Slave FIFO模式的异步方式进行数据传输。
    系统控制结构框图如图3所示。在数据控制和传输模块中，逻辑控制器件EPM7064为模数转换器件AD7892、CY7C4265以及EZ—USBFX2 CY7-C68013提供时序信号，通过调整、配合各芯片之间的通讯，控制四路数据采集和缓存模块有序而快速地将数据传输至USB，保证各环节的数据采集和传输的数据同步不丢失，是整个控制系统的核心。

3 系统软件模块设计
3．1 USB固件程序
    固件程序采用Cypress公司提供的固件程序框架，主要负责完成芯片初始化，对芯片进行配置、设备请求、数据传输等相应的工作，完成特定的目的。
    本系统设计的固件程序将FX2配置为Slave FIFO模式，总线宽度为16位，在4个端点中，EP2和EP4未使用，EP6和EP8配置如表1所示。由于采用自动输入输出模式，主机和单片机是通过旁路FX2的CPU而直接连接的，所有数据直接通过EP6或EP8管道提交，不需固件程序的干预。标志引脚(FLAGA、FLAGB)掌握FX2各端点FIFO的状态，FLAGB定义为输入端点的满标志，当数据满时该引脚为低电平；FLAGB定义为输出端点EP8的空标志，当主机传来的数据被读空时该引脚为低电平。

    固件框架函数流程图如图4所示。TD_Init()函数是在设备重枚举和任务调度启用之前被调用，初始化用户的全局状态变量，规定各种端点资源的使用；TD_Poll()函数在设备工作期间被重复调用，包含一个执行外设功能的状态机：TD_Suspend()函数在框架进入挂起状态之前被调用，包含使设备进入低功耗状态的程序。

3．2 CPLD控制程序
    逻辑控制器件EPM7064为模数转换器件AD7892、CY7C4265以及EZ—USB FX2 CY7C68013提供普通的时序信号、握手信号(满、半满、空标志信号)、读写信号和输入输出允许信号。A／D的采样频率、外部FIFO和USB内部FIFO的读写时钟均由EPM7064对外部时钟的分频和控制产生。
CHLD在完成这些端口FIFO的操作时，采用Verilog HDL硬件描述语言实现了这些操作，并在ALTERA公司提供的Quartus II 8．0开发工具综合编译并映射到CPLD中。
    由于系统对USB采取了Slave FIFO模式异步方式读写数据，所以与访问外部FIFO的读写时序类似。向FIFO写数据的状态设计进程如下。如图5所示。

    a：查询控制信号线是否有写事件(电平变化)发生，有就转移到状态b，否则保持在状态a；
    b：分配FIFOADR[1：0]=10，FIFO指针指向输入端点，转向状态c；
    c：检查FIFO的满标志是否为“假”(FIFO不满)则转向状态d．否则保留在状态c；
    d：把外部数据放在FD[15：0]上，同时激活SLWR，然后转向状态e；
    e：假如有更多的数据要传输，则转向状态b，否则转到状态a。
    Slave FIFO模式的读数据状态设计进程类似。
3．3 驱动程序的设计和安装
    USB设备的驱动程序是开发USB外设的关键。设计的目标是在设备插上后，主机能通过USB总线自动下载该固件程序到EZ—USB外设芯片中，并自动完成该固件程序，建立起主机端与设备的通讯。USB的驱动程序包括通用驱动程序和固件下载驱动程序。前一个驱动程序采用EZ—USB软件和硬件开发包提供的ezusb．sys驱动程序，可以直接使用，后一个驱动程序需自在固件程序框架下自行编写并在DDK的环境下编译生成。
    所有的USB设备都至少具有一个VID和PID，VID和PID通过设备描述符表提交给Windows系统。同时，Windows系统使用INF文件将某一VID和PID绑定到某一设备驱动程序。这样，Windows系统在知道了设备的VID和PID后，就通过存储在INF文件中的信息查找该设备的驱动程。其中，INF文件是需编写的安装信息文件，开发人员只需修改INF文件中的VID、PID以及相应的设备描述符。
3．4 应用程序设计
    应用程序完成的主要功能有：启动／关闭USB设备，检测USB设备，设置A／D，数据采集、显示和存储等。
    同步实时系统对多任务的要求比较普遍，在后台采集数据、进行数据显示的同时，还要在前台界面对用户的操作做出响应，使用传统的单线程编程技术效率较低，无法及时处理，必须充分利用Windows的多任务处理功能，采用多线程编程技术来处理数据。本系统采用Visual C++6.0作为程序的开发环境，并且充分运用了多线程的编程思想。在程序中设置3个线程：主线程负责用户界面，它的生存周期就是整个应用程序的生存周期，用户的动作(如鼠标事件、键盘事件等)都会触发主线程的消息机制，从而完成对用户的响应；而两个分离的辅助线程分别负责数据的采集存储、数据处理和显示。

4 系统调试
    在系统调试过程中，采用Perisoft公司提供的Bus Hound调试工具，测试得到：USB的传输速率可达1．5．4 MB／S，如图6所示。这与USB系统时钟和外围电路设计相关，也就保证了在采样率为500 k下的四通道USB采集卡，可以满足采集卡四通道同步工作。其次，采用Cypr-ess公司提供的EZ—USB Control Panel和Bus Hound调试工具软件对采集卡采集到的数据进行控制和监测，如图7和图8所示。将二者得到的数
据进行对比，从结果验证了系统数据传输的正确性。

    图9为上位机软件操作和显示界面。函数发生器输出2 V、100 Hz正弦波，上位机将数据采集卡采集数据进行计算并显示，与函数发生器输出波形完全吻合，从而进一步验证了系统数据传输的正确性。图10为星载电子设备多余物检测数据显示界面。

5 结论
    针对尺寸大、重量重、内部结构较复杂的星载电子设备多余物数据采集系统，设计了基于USB的四通道同步实时数据采集系统。试验结果表明，USB稳定的传输速率可达15．4 MB／s，保证了采集卡各通道在500 k的采样速率下可以同时工作，对数据进行大量且不丢失的采集和传输。采用多线程技术，对采集的数据进行实时处理、显示及转储等。为实现电子设备多余物存在与否的自动判别提供了可靠的数据。