基于FPGA的数字量变换器测试系统设计

0 引言

在飞行器发射试验中，常用遥测系统获取其内部各系统的工作状态参数和环境数据，为评定飞行器的性能及故障分析提供依据。数字量变换器作为遥测系统弹上的重要设备，它的主要功能是控制接收弹上的各种飞行参数。变换器性能的优劣将直接影响遥测结果，对飞行器研制和试验过程中试验数据的测试产生很大影响，将关系到飞行器试验的成败和以后飞行器性能的改进和提高。在飞行器的研制过程中，多次试验和考核是非常重要的。对数字量变换器做出准确、客观、可靠地评价是其生产过程中的关键环节，而这一环节只能由变换器测试系统来完成。可编程逻辑器件(FPGA)以其高速、可重构、设计灵活、开发费用低、I/O引脚和内部资源丰富的等优点，在近代测试系统中赢得了越来越广泛的应用。本文以FPGA为逻辑控制中心设计的测试系统，主要是对数字量变换器进行单元测试，在其实际研制和调试过程中发挥了关键的作用。

1 系统总体设计

1.1 技术指标

(1)测试系统能够在工作前对系统本身的各部分电路和通信接口进行检测，进而确定测试系统是否能正常工作。

(2)能够为数字量变换器提供25V、28V、31V三档直流工作电压，电流驱动能力大于等于1A.

(3)能够模拟弹上设备产生幅度为8~10V的计算机字信号及相应的移位脉冲信号;产生128路28V指令信号;产生所需的勤务信号(包括帧同步信号和码同步信号);能够接收经变换器变换回传的字长为32位、幅度为5V的计算机字数码和指令数码信号，并在上位机上显示。

1.2 系统结构和工作原理

系统设计时，采用模块化设计的思想，按照技术指标设计各个功能模块，通过各模块之间的协调配合完成系统的测试任务。系统的整体结构框图如图1所示，整个系统由计算机、USB芯片FT245、两片FPGA、输出电源电压控制模块、计算机字信号发送模块、勤务信号发送模块、计算机字数码与指令数码接收模块和指令信号发送模块组成。模块化设计能够使在进行系统调试和硬件编程时，简单、快速的定位并解决问题。

测试系统通过USB芯片FT245实现硬件电路和上位机的通信，包括上位机给FPGA 控制命令的下发与数据的上传。

硬件电路选用XILINX公司的XC3S200-208和XC2S100-208两片FPGA 作为系统的逻辑控制中心，其中XC3S200-208作为主控芯片，主要实现对上位机的命令接收和判断，进而产生和发送计算机字信号，接收计算机字数码和指令数码并编帧、上传数据至上位机;XC2S100-208作为从控制芯片，完成128路指令信号的发送;两片FPGA 之间采用串行通信的方式发送控制命令来实现通讯。另外，通过上位机软件可以实现向系统发送复位或停止命令，这样能够减少硬件的功耗并提高测试系统的工作效率。

2 系统各模块功能实现

2.1 USB接口模块实现

USB具有成本低、通用性好、连接简单、支持热拔插等特点，而从系统实际的速率传输要求出发，设计采用通用USB接口芯片FT245BM 实现与上位机的通信。FT245BM 主要的功能是在内部逻辑的作用下实现数据串/并双向转换，它的最大传输速率可以达到1M/s.FT245BM 免去了复杂的固件编程及驱动程序的编写，能够简化USB的接口设计，为系统节省设计时间。

FT245BM 具体电路设计如图2所示。

FT245BM 的8位数据线D7~D0、读信号RD、写信号WR、发送使能TXE、接收数据完毕信号RXF与FPGA连接，来完成两者的通信。计算机通过应用程序、动态链接库的有效配合将控制命令信号发送到FT245BM,FPGA利用与之相连的I/O口接收下发的控制命令或是发送上传的测试数据。

2.2 输出电源电压控制模块实现

由于需要为被测数字量变换器提供3档工作电压25V、28V、31V,在电源模块输出端连接三种不同阻值的电阻，就可以实现3种电压的切换，实现控制的电路如图3所示。

图中VCON+,VCON-为电源模块的输入电压，R25、R26、R27三组电位器用来调节电阻。25VCON、31VCON分别与FPGA的I/O相连，是FPGA给出的控制信号，电路中三极管的作用是利用其电流放大来增加信号的驱动能力。通过FPGA对控制命令的判断来实现3档电压的控制。此外，系统的默认及复位的输出电压为28V.

2.3 计算机字信号发送模块实现

由于要求计算机字和移位脉冲的幅值都为8~10V,所以电路中采用运算放大器电路对FPGA输出的信号进行放大来获取所需幅值的信号。计算机字信号发送电路如图4所示。

为了满足输出信号的精度和电流驱动能力的要求，本模块中采用AD公司的运放AD811来设计电路。此运算放大器是高速运放，采用双电源供电，2500V/us是其最高转换速率，具有较低的电流、电亚噪声。设计中采用同相放大电压串联型负反馈电路，输出电压稳定并且反馈效果好。电路中R83的接地是为了尽量减小由于偏置电流引起的电压失调，其阻值等于R22和R60的并联阻值，为R22//R60=666Ω。