便携式发动机测试设备的研究

　　FPGA设计与配置

　　现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)器件选用基于SRAM的内部结构的FPGA芯片XC2S100E^[3]。设计过程中将XC2S100E工作于主动串行模式。FPGA的程序存放在外部PROM XC18V01中，这些程序可以通过加电自动加载到FPGA中或通过命令加载。在主动串行模式下，系统加电时产生一个驱动XC18V01的时钟信号，通过这个时钟脉冲，XC18V01中的数据通过XC2S100E送到FPGA。FPGA与配置芯片的连接关系如图4所示。　　

 

　　转速测量模块的设计

　　采用嵌入式单片机和FPGA相结合对转速测量模块进行设计，通过对转速信号的采集、运算和分析实现对发动机运行状态的在线监测。某型发动机四路转速信号经机载传感器转化为四路频率信号，该频率信号经74LV04反向驱动后，送入FPGA的I/O口采集计数，然后嵌入式单片机通过数据总线读取FPGA的计数值，并通过软件计算出最终的转速值，电路如图5所示，FPGA实现时间门限的开通、关闭及计数，然后将计数值送入嵌入式软件平台，实时计算出发动机的转速值。20MHz晶振时钟电路，为FPGA提供外部标准时钟信号。LED1~4为状态指示灯。根据指标要求，频率的分辨率等于1Hz，因此程序中把对频率的计数门限时间设为1秒，门限时间的设置以外部的参考晶振为基准，通过计数器实现。　　

 

　　温度与压力测量模块的设计

　　温度传感器将温度信号转化为相应的电信号，经专用适配器将其转化为0到+5V的模拟量。16路模拟信号，经多路开关后，送入调整电路，再经AD转换器，转换为数字量，最后利用FPGA采集处理后通过数据总线来读取FPGA运算值，并通过软件做较简单的计算得出最终的测量结果，测量的结果可以保存在SD卡存储器中。

　　测量电路组成如图6所示。由通道选择电路，信号调整电路和AD转换电路三部分组成。AD转换后将采集到的数据量输入到FPGA里。(1)通道选择电路：采用1片16路多路开关MAX396完成对多路模拟信号的输入选择，其地址位A0A1A2A3决定输入信号对应的输出通道号，EN使能端控制是否处于工作状态。A0A1A2A3和EN均可通过FPGA编程来实现;(2)信号调整电路：采用美国ADI公司的运算放大器AD8605为核心进行设计;(3)AD转换电路：选用4通道、12位的模数转换器件MAX1282，采样频率为400kHz。　　

 

　　为提高系统的稳定性和精度，设计中采用数字滤波方法，将输入信号经过低通滤波器处理，可有效地消除输入信号中的高频噪声信号^[6]。

　　测试系统软件设计

　　测试系统软件设计包括Windows CE的移植、驱动程序开发和应用程序设计^[7]。

　　Windows CE系统移植

　　Windows CE操作系统从体系结构上具有分层结构和微内核结构的特点，可以被裁减和重新配置，具有很强的扩展性。开发人员使用该系统提供的集成开发环境(Platform Builder简称PB)可根据它的提示完成操作系统镜像的定制、编译与调试工作，并可在此环境中进行应用软件和驱动程序的开发。