信息與通信LXI掃描開關設計

1、摘要本論文對LXI掃描開關模塊進行了研究。LXI掃描開關模塊是實現(xiàn)多路信號轉(zhuǎn)換測量的重要模塊。LXI總線技術是繼VXI、PXI總線技術之后的最新的總線技術，基于以太網(wǎng)的它具有物理尺寸小、系統(tǒng)建立時間短、可互換性行強的特點，而開關類LXI儀器也屬于IVI驅(qū)動規(guī)范中的八大儀器類儀器之一。本課題對LXI掃描開關功能電路板進行了完整的設計，功能電路采用FPGA芯片作為電路的主控制器，實現(xiàn)對繼電器開合的直接控制。在繼電器使用方面，采用MC1413驅(qū)動芯片對繼電器進行驅(qū)動。課題使用Verilog描述語言對FPGA內(nèi)的邏輯進行設計，通過邏輯實現(xiàn)控制功能，避開了軟件上必須滿足程序順序執(zhí)行的限制條件，而多個時序

2、模塊并行運行的特點為多組繼電器同時掃描的功能提供了條件。軟件方面，課題設計了基于WEB服務器控制的客戶端頁面，設計了能夠通過該頁面調(diào)用的CGI程序。同時基于IVI-COM驅(qū)動的控制方式，在已開發(fā)的該類儀器IVI-COM驅(qū)動程序的基礎上，實現(xiàn)了命令解析與執(zhí)行的服務程序的設計。本文最后對整個LXI掃描開關模塊的測試流程，測試方法以及測試結果進行了闡述。關鍵詞：LXI；掃描開關；繼電器；FPGAAbstractThis thesis givesemphasis on the design of LXI-Scanning Switches. LXI-Scanning Switches is a mod

3、ule that plays an important rolein the automatic test of transforming amongvarious signals. LXI is the lastest bus technology following the VXI, PXI bus technology, based on the Ethernet technogy, it integrates more merits: it is strongly exchangeable with a small footprint, it is also faster and ea

4、sier to build a automatic test system by using LXItechnology. The device of switch is one of the eight devices in the IVI driver standard.In this thesis, the function part of the LXI device is designed. It chooses the chip FPGA as the main component for controlling and all the relays are directly co

5、ntrolled by the FPGA. To gurantee the electric current when relays work, all the relays are drived by the chip MC1413. In the thesis, the logic is designed inVerilog HDL. It is better to achieve the function of controlling in the logic since there is no limit in the process of program which exists i

6、n the software. The characteristic that all the clock modules work parallelly makes it possible for several groups of relays to scan at the same time.In the aspect of the software, both of the client pages based on WEB server and CGI programs which are started by the corresponding pages are designed

7、.Meanwhile, on the basis of the designed IVI-COM driver, the program to analyze and excute commands is developed.At last, the thesisintroduces the the test process, test method and test result for LXI-Scanning Switches module.Keywords：LXI;Scanning Switch;Relay; FPGA目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 研究的目的和意義

8、11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2 儀器總線技術的發(fā)展歷程21.2.2 LXI技術現(xiàn)狀及特點3 掃描開關技術41.3 主要研究內(nèi)容51.4 論文結構6第2章 總體設計方案72.1 模塊的主要功能和技術指標72.2 模塊的總體設計方案72.3 硬件設計方案92.4 軟件設計方案10 基于WEB網(wǎng)頁控制的軟件方案10 基于IVI-COM驅(qū)動控制的軟件方案112.5 本章總結12第3章 硬件電路設計及邏輯設計133.1 功能板電路設計133.1.1 FPGA與核心板ARM接口設計13 繼電器排布設計和繼電器與外部接口設計14 繼電器驅(qū)動電路設計153.2 FPGA芯片內(nèi)部邏輯設計17 地址譯碼模塊17 參數(shù)

9、設置模塊18 掃描時鐘生成模塊19 掃描實現(xiàn)模塊203.3 本章小結21第4章 軟件設計224.1 基于WEB服務器的控制方式22 網(wǎng)頁控制界面224.1.2 CGI編程244.2 基于IVI-COM驅(qū)動程序的控制方式264.2.1 IVI-COM驅(qū)動26 命令解析與執(zhí)行服務程序274.3 本章小結29第5章 LXI掃描開關模塊測試305.1 測試平臺的搭建305.2 功能測試305.3 本章小結33結論34致謝35參考文獻36第1章 緒論1.1 研究的目的和意義自動測試系統(tǒng)，無論是在航空航天和國防電子領域，還是在消費類電子產(chǎn)品的生產(chǎn)線測試和質(zhì)量驗證，都有著非常廣泛的應用。由于自動測試技術的引

10、入，不僅能夠提高測試效率，保證測試的準確性和可信度，減少由于人為原因造成的測量錯誤和誤差，降低生產(chǎn)和測試成本，而且還可以對測試數(shù)據(jù)和結果進行信息化管理。無論是在整機，元器件或模塊的指標和功能測試，老化及可靠性等測試中，自動測試技術都有著廣泛的應用。測試總線就像是測試系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，負責控制指令和測試數(shù)據(jù)的傳送。伴隨著計算機技術的不斷滲透和發(fā)展，測試總線主要經(jīng)歷了GPIB（General-Purpose Interface Bus）總線、VXI（VME eXtension for Instrumentation）、PXI（PCI eXtension for Instrumentation）總線等

11、幾個階段1方少森LXI串行通訊模塊研制C哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文2010：162饒騫LXI測試自動化的未來J電子質(zhì)量2005，12：123秦紅巖，路輝，郎榮玲自動測試系統(tǒng)硬件與軟件技術M北京：高等教育出版社，20074 尹洪濤，黃燦杰，付平LXI標準概述M電測與儀表2007，5：16185張曦煌嵌入式WEB系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)C南京理工大學工程碩士學位論文20056 楊樹青，王歡Linux環(huán)境下C編程指南M清華大學出版社2007：23007 夏宇聞Verilog數(shù)字系統(tǒng)設計教程M北京航空航天大學出版社2005：17608Jonatban Corbet，Alessandro Rubini，Greg

12、 Kroab-HartmanLinux Device DriverM中國電力出版社，20079John MHarveyIVI-COM Drivers in Visual Basic 6JAgilent Developer Network White Paper2006，11：1810Kirk FertittaIVI Standards TutorialJAgilent Developer Network White Paper2002，11：1511Dewey MIntegrating LXI Devices into Hybrid Test SystemsJLXI ConneXion，Jul

13、y 200612Yu WilsonLXI Instrument Development Platform Based on an Open Embedded Operating SystemJYi Qi Yi Biao Xue Bao2007，2813楊柳，曉虹，趙建LXI儀器的網(wǎng)絡規(guī)范及網(wǎng)頁界面設計M計算機測量與控制200714李思嵌入式Linux Web服務器的實現(xiàn)與應用J儀表技術2008，1：576015IVI-COM Instrument Driver Programming GuideJTest&Measurement Instrument2005，9：1816吳厚航深入淺出

14、玩轉(zhuǎn)FPGAM北京航空航天大學出版社201017楊進才，沈顯君，劉蓉C+語言程序設計教程M清華大學出版社200618Joseph EMuellerThe IVI Open Architecture Driver SpecificationsJ2002 IEEE Autotestcon ProceedingsHuntsville，2002：35736619Franklin Paul，Creque Andrew,Reddy RakeshExploring LXIs Advanced CapabilitiesJIEEE Autotestcon，Orlando，F(xiàn)L，United States，200

15、520 鄭洪剛基于ARM9和Linux操作系統(tǒng)的嵌入式應用開發(fā)C西安電子科技大學工士學位論文2007：11921Fu Minghua，F(xiàn)eng MingdeInvestigation on Distributed Networked Automatic Test System Based on LXIJISTAL2008：11751179。其他的總線技術如通用串行總線（USB）、現(xiàn)場總線（Fieldbus）、1394總線（Firewire）、控制器局域網(wǎng)（CAN）等也被引入自動測試系統(tǒng)1-2。由于被測對象和測試要求的復雜多樣性，使得現(xiàn)有的各種測試總線很多情況下難以充分滿足用戶的測試需求。21世

16、紀初，為了進一步提高測控系統(tǒng)的通用性和靈活性，在已有的測控技術和網(wǎng)絡通信技術的推動下，出現(xiàn)了LXI（LAN eXtension for Instrumentation）技術。LXI是以太網(wǎng)技術在測試自動化領域的擴展，其總線技術融合了以太網(wǎng)的高吞吐率、GPIB儀器的高性能、VXI/PXI插卡式儀器的緊湊性，提供多種觸發(fā)方式，滿足儀器領域?qū)ν健⒗鋮s、電磁兼容性等的特殊要求，是構建新一代自動測試系統(tǒng)的理想平臺。LXI掃描開關模塊是LXI總線測試系統(tǒng)的重要組成部分，其在各個領域都有著廣泛的應用。融合了LXI設備的靈活性，LXI掃描開關將能夠?qū)崿F(xiàn)便捷地在各種不同區(qū)域即插即用進行測量，極大地縮短測量前的

17、準備工作。開發(fā)LXI掃描開關模塊便顯得具有十分重要的實際意義。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 儀器總線技術的發(fā)展歷程測試儀器系統(tǒng)總線是伴隨著自動測試系統(tǒng)（ATS）的出現(xiàn)而提出的，并且與ATS一同成長。ATS需要解決的關鍵問題是怎樣使得開放式互聯(lián)設備能在電氣、功能、機械上兼容，以保證各種命令和測試數(shù)據(jù)能夠在互聯(lián)設備間準確無誤地傳遞，即要解決程控設備之間的互連協(xié)議問題，也就是接口總線問題。隨著計算機技術不斷地更新與發(fā)展，總線技術主要經(jīng)歷了GPIB、VXI、PXI幾個幾段。第一階段：GPIB通用接口總線是計算機與儀器間的標準通信協(xié)議。GPIB的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議已納入國際標準IEEE488.1和I

18、EEE488.2。它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配置了遵循IEEE488的GPIB接口典型的GPIB測試系統(tǒng)：包括一臺計算機，一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB儀器。每臺GPIB儀器都有單獨的地址，由計算機控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或者更換，只需對計算機的控制軟件做相應的改動。這種概念已被運用于儀器的內(nèi)部設計。從價格上，GPIB儀器覆蓋了從比較便宜的到異常昂貴的儀器，但是GPIB的數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于500kB/s，不適合于對系統(tǒng)要求較高的應用。第二階段：VXI即VME總線在儀器領域的擴展，是1987年在VME總線、Eurocard標準（機械結構標準）和IEEE488等的基礎上，

19、由主要儀器制造商共同制訂的開放性儀器總線標準。VXI系統(tǒng)最多可包含256個裝置，主要由主機箱、“0槽”控制器、具有多種功能的模塊儀器和驅(qū)動軟件、系統(tǒng)應用軟件等組成。系統(tǒng)中各功能模塊可隨意更換，即插即用組成新系統(tǒng)。目前國際上有兩個VIX總線組織，VXI聯(lián)盟和VXI即插即用系統(tǒng)聯(lián)盟，這兩套標準組成了VXI標準體系，實現(xiàn)了VXI的模塊化、系列化、通用化以及VXI儀器的互換性和互操作性。VXI的價格相對較高，適合于尖端的領域測試。第三階段：PXI是PCI在儀器領域的擴展，是NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是CompactPCI結構和Micrisoft Windows

20、軟件。PXI實在PCI內(nèi)核基礎上增加了成熟的技術規(guī)范和要求形成的。PXI增加了用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時鐘、用于精確定時的星形觸發(fā)總線、以及用于相鄰模塊間告訴通信的局部總線等，來滿足試驗和測量用戶的要求。PXI兼容CompactPCI機械規(guī)范，并增加了主動冷卻、環(huán)境測試等要求。這樣，可保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性3。雖然這些儀器總線得到了廣泛的應用，但都或多或少存在著一些不足，例如GPIB儀器體積和重量較大，數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，其所使用的GPIB卡和電纜的成本也比較高；組建VXI測試系統(tǒng)所必須采用的VXI機箱、零槽控制器以及PCI-1394接口卡的成本也比較高；PXI總線儀器的功

21、能覆蓋面相對比較有限，儀器品種比VXI儀器少，通道數(shù)和電磁兼容性也不如VXI。因此，研發(fā)具備網(wǎng)絡化測試能力的新一代儀器就成為必然。安捷倫公司和VXI科技公司共同合作于2004年9月提出一種新型儀器接口規(guī)范LXI。它基于著名的工業(yè)標準以太網(wǎng)（Ethernet）技術，擴展了儀器需要的語言、命令、協(xié)議等內(nèi)容；它集臺式儀器的內(nèi)置測量技術及PC機標準I/O連通能力和基于插卡框架系統(tǒng)的模塊化和小尺寸于一身，構成了一種適用于自動測試系統(tǒng)的新一代模塊化儀器平臺標準4-5。1.2.2 LXI技術現(xiàn)狀及特點LXI是LAN eXtension for Instrumentation的縮寫，即局域網(wǎng)在儀器領域的擴展。

22、LXI致力于提高系統(tǒng)速度、降低系統(tǒng)成本、減小系統(tǒng)尺寸、縮短系統(tǒng)組建時間以及改進軟件的通用性。它將Ethernet（IEEE-802.3）作為主要通信媒介，借助于計算機領域的眾多成果，充分發(fā)揮了現(xiàn)有的Ethernet標準、Internet工具、LAN協(xié)議、IEC物理尺寸和IVI驅(qū)動程序各自的優(yōu)勢，從而使測試系統(tǒng)的互連平臺轉(zhuǎn)向更高速的PC標準I/O，無需機箱和昂貴的電纜，并可使用標準的軟件。LXI的出現(xiàn)使用戶能夠快速、經(jīng)濟和高效地創(chuàng)建和重新配置用于研發(fā)與制造領域的測試系統(tǒng)，在航空、國防、汽車、工業(yè)、醫(yī)療和消費類電子產(chǎn)品領域擁有無限的發(fā)展?jié)撃?。不同于PXI模塊需要昂貴的機箱、零槽控制器/MXI卡和電

23、纜在計算機與儀器之間通訊，LXI模塊自帶處理器、網(wǎng)絡連接、電源和觸發(fā)輸入，模塊一般是19英寸機柜全寬1U高，或者半寬1U或2U高，信號從模塊前面板進出，LAN接口、電源、觸發(fā)在儀器的后面板，安裝在標準19英寸機柜上或堆疊在臺面上，在普通計算機上實現(xiàn)按鍵、旋鈕和顯示界面。LXI模塊在告訴LAN上交換數(shù)據(jù)，采用IVI-COM驅(qū)動，用標準的WEB瀏覽器顯示信息和檢查故障。在儀器間的同步與觸發(fā)方面，LXI具有靈活的觸發(fā)方式和很高的觸發(fā)精度。LXI引入了用于分布式儀器間定時協(xié)議和IEEE1588精密時間同步協(xié)議，利用IEEE1588的亞微秒同步精度，可使儀器實現(xiàn)精確的同步。對于需要傳統(tǒng)硬件線觸發(fā)低抖動特

24、性的應用，LXI還定義了M-LVDS硬件觸發(fā)總線，它能提供類似于VXI儀器高精度、低時延的觸發(fā)。在編程控制方面，LXI儀器使用IVI-COM驅(qū)動程序，它支持所有現(xiàn)代編程環(huán)境，可利用面向?qū)ο缶幊碳夹g及分層的API，給編程人員帶來方面的同時，也實現(xiàn)了儀器的互換性。而且LXI儀器采用Web網(wǎng)頁作為控制見面，使得對儀器的控制也更加方面。LXI儀器的LAN擴展不僅提供了機架和堆疊式儀器的嵌入式測量技術和PC標準I/O連接能力，還實現(xiàn)了基于插卡式儀器的系統(tǒng)的模塊化特點并減少了體積。對于國防、汽車、工業(yè)、醫(yī)療和消費電子市場開發(fā)電子產(chǎn)品的研發(fā)和制造工程師來說，LXI緊湊靈活的封裝、高速輸入/輸出和可靠的測量功

25、能有效地滿足了他們的需求。VXI總線為所有高密度高速度應用提供了理想的標準，LXI則同時融合了VXI和以太網(wǎng)的優(yōu)勢，為用戶提供了一個良好的高性能儀器平臺，滿足VXI通常沒有滿足的應用需求。LXI基于LAN的結構為例，為在航空和國防行業(yè)中長壽命儀器的實現(xiàn)奠定了基礎。LXI沒有帶寬、軟件過計算機底板結構先知。它可以利用日益提高的以太網(wǎng)吞吐量，為面臨下一代自動測試系統(tǒng)挑戰(zhàn)的工程師提供理想的解決方案。1.2.3 掃描開關技術隨著測試技術不斷地飛速發(fā)展，VXI、PXI、LXI等一代又一代各具特點的測試總線不斷推出。大大提高了測試效率、測試精度，減少了測試成本、測試誤差，完善了自動化測試的過程。也隨著自動

26、測試的功能越來越強大，無論是在日常生活中，還是在工業(yè)、軍事等以及一些尖端的測試領域，我們能夠測量和采集的信號、數(shù)據(jù)的種類越來越多。這使得我們能夠從自然界、生活環(huán)境以及一些特殊場合獲得更多我們需要的信息，從而能夠根據(jù)信息對相應的事件作出更準確的判斷、選擇更合適的處理方法。與此同時，在很多領域和場合，對測量方法的技術要求也不斷提高，包括對同一信號的高精度測量、對多路信號的快速測量等等，這就需要開發(fā)相應的功能電路模塊以實現(xiàn)具體的功能，而掃描開關功能模塊就是用以實現(xiàn)多路信號測量的功能。例如現(xiàn)在需要對一個大樓內(nèi)的溫度做一個系統(tǒng)的檢測。為了完成這個任務，需要在大樓內(nèi)部的各個角落置放上百個甚至更多的溫度的傳

27、感器，并將采集的溫度信息傳遞給PC機進行數(shù)據(jù)的的采集和處理。在這個過程中，如果對每個傳感器都搭配一臺PC機進行數(shù)據(jù)的采集和處理則會十分的浪費資源，同時也對數(shù)據(jù)的整體解析判斷。因此往往就需要將如此之多的溫度信息集中傳給一臺或者少數(shù)幾臺PC處理機。這就需要研究每臺處理器對多路信號的采集過程。我們會考慮，一臺PC處理機面對四面八方而來的上百個溫度信息，如何把它們都采集進來呢？實際中，我們的通用計算機很少有如此多個接口的，而如果手動地把每一路溫度信號逐一接到計算機上，那便顯得勞民傷財，也相當?shù)臎]有效率，十分地不合理。而掃描開關模塊則致力于解決這一問題。掃描開關模塊主要由一個控制器和多個繼電器構成。其中

28、每個繼電器的閉合端與一個單獨的接口相連，用以連接一路外部信號，而每個繼電器的公共COM端則連接在一起，并與PC處理機相連。而控制器則用以控制繼電器逐一閉合再斷開。如此一來，只要將外部的多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點與該模塊相連，便能通過控制器根據(jù)需要將多路信息逐一發(fā)送給處理器進行處理。掃描開關模塊能夠輔助主處理器實現(xiàn)信號采集過程中對多路信號到少數(shù)信號的轉(zhuǎn)換，減少了對處理器外部資源的消耗。盡管該過程相當于將把“并行”的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成了“串行”的數(shù)據(jù)進行傳輸，略微增加了數(shù)據(jù)采集的時間，但隨著技術的不斷提高，掃描頻率的不斷增加，該問題對實際的影響將會很小。同時從采集和處理過程的角度考慮，這種轉(zhuǎn)換相應地為信號的處理留下

29、了時間，不僅沒有浪費時間，反而更加充分地利用了時間。另外在某些特殊的環(huán)境和場合下，我們需要對某幾路信號實現(xiàn)專門的大量采集，掃描開關模塊也為這樣的功能實現(xiàn)提供了可操作的平臺。1.3 主要研究內(nèi)容LXI掃描開關模塊主要由上位機、LXI核心板、LXI功能板三大部分組成。上位機運行控制應用程序和IVI-COM驅(qū)動或者Web網(wǎng)頁操作界面。上位機通過局域網(wǎng)LAN與LXI核心板進行通信。LXI核心板中以ARM為核心處理器，ARM內(nèi)運行Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對上位機發(fā)來的命令的解析，并根據(jù)解析的結果進行相關的操作，例如向功能板FPGA寄存器寫入相應的參數(shù)。FPGA則根據(jù)ARM寫入的數(shù)據(jù)對功能電路板進行相應的

30、控制。綜合各方面的分析，本課題的主要研究內(nèi)容如下：（1）研究掃描開關的工作原理以及設計方法：包括掌握繼電器的使用方法，繼電器與外部接口連接等；（2）研究并掌握可編程邏輯陣列（FPGA）技術，并應用FPGA開發(fā)掃描開關的功能電路，編寫FPGA邏輯；（3）使用Protel軟件設計LXI功能板，完成LXI功能電路板的原理圖和PCB的設計；（4）掌握嵌入式Linux系統(tǒng)下編程軟件的使用，編寫操作系統(tǒng)下的命令解析和執(zhí)行服務程序；（5）研究上位機的軟面板設計過程及網(wǎng)頁控制界面的設計過程。1.4 論文結構本文詳細闡述了設計LXI掃描開關模塊的研究背景及意義、基本的原理、軟硬件設計方案，主要內(nèi)容分4章展開：第

31、2章論述了LXI掃描開關模塊的總體設計方案和軟硬件設計方案，結合模塊所需實現(xiàn)的功能和所要達到的指標對其整體的軟硬件結構進行方案論證；第3章詳細論述了LXI掃描開關模塊的硬件設計，包括LXI功能板的電路設計，F(xiàn)PGA的邏輯設計；第4章詳細論述了LXI串行通訊模塊的軟件設計，Linux操作系統(tǒng)內(nèi)的命令解析和執(zhí)行程序，上位機得操作界面開發(fā)；第5章對該模塊的功能測試流程以及測試現(xiàn)象和結果進行了描述。第2章 總體設計方案本章首先對LXI掃描開關模塊的主要功能和技術指標進行分析，并在此基礎上，確定掃描開關的主要功能和技術指標，根據(jù)主要功能和技術指標提出掃描開關的軟硬件設計方案。2.1 模塊的主要功能和技術

32、指標LXI開關掃描模塊主要用于測試系統(tǒng)中多路信號的切換，大多與數(shù)字多用表及數(shù)據(jù)采集模塊配合使用，適用于隔離要求高、測量精度高、導通電阻小、速度要求不高的場合，是各種測試控制系統(tǒng)中常用的基本模塊，該模塊具有64路開關量輸出，多種掃描模式。模塊的主要技術指標如下：（1）64路的開關量輸出；（2）具有多種掃描方式可供選擇；（3）可控的掃描間隔；（4）可控的掃描次數(shù)；（5）控制方式：通過WEB接口的控制和通過IVI-COM驅(qū)動控制方式。2.2 模塊的總體設計方案LXI掃描開關模塊主要由上位機、LXI核心板、LXI功能板三大部分組成。其中上位機具體實現(xiàn)控制命令的發(fā)出。它具體包括兩種控制方式：一種是基于W

33、EB網(wǎng)絡服務器的網(wǎng)頁操作界面，另外一種是基于IVI-COM驅(qū)動的控制方式，后者可以通過設計軟面板實現(xiàn)快捷簡易的操作。兩者都會將掃描需要的參數(shù)以及掃描控制信號通過LAN發(fā)送給LXI核心板的ARM進行處理。LXI核心板以型號為AT91RM9200的ARM芯片為處理核心，芯片上運行著Linux操作系統(tǒng)。它通過LAN局域網(wǎng)與上位機進行數(shù)據(jù)的交互與通信。在上位機通過WEB網(wǎng)頁的控制渠道下，ARM內(nèi)運行能夠用過網(wǎng)頁直接調(diào)用的CGI程序?qū)崿F(xiàn)對控制命令的解析和執(zhí)行。在上位機通過IVI-COM驅(qū)動的控制渠道下，ARM內(nèi)運行命令解析和執(zhí)行服務程序。ARM和功能板的通信則通過EBI總線。在該掃描開關模塊中，ARM主

34、要通過向功能板的FPGA內(nèi)的寄存器中寫掃描參數(shù)以及控制使能實現(xiàn)對功能板掃描功能的控制。ARM與FPGA的主要通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、讀/寫控制線以及片選線進行連接。LXI功能板以一塊FPGA芯片為控制的核心，它通過獲得ARM發(fā)來的掃描參數(shù)實現(xiàn)對掃描周期、掃描次數(shù)、掃描的繼電器以及掃描模式的配置，并接收掃描使能信號實現(xiàn)對掃描起始與掃描終止的控制。對于掃描的功能實現(xiàn)，F(xiàn)PGA內(nèi)通過對寄存器的循環(huán)移位操作以控制開關掃描的過程。圖2-1模塊工作流程圖如圖2-1所示，上位機以WEB或者IVI-COM驅(qū)動的控制方式，通過局域網(wǎng)LAN與微處理器ARM之間實現(xiàn)通信，而微處理器ARM與FPGA通過外部EBI總線

35、實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)PGA收到ARM發(fā)出的數(shù)據(jù)后，實現(xiàn)控制邏輯，并通過IO口輸出控制繼電器的開合。2.3 硬件設計方案由于LXI技術在多種測量模塊中都有著廣泛的使用，其核心板的開發(fā)與使用已經(jīng)非常的完善。在設計之前已經(jīng)對LXI核心板中需要使用的模塊以及驅(qū)動等進行了充分的了解，在設計過程中則充分利用已知的LXI核心板工作原理和功能進行所需的硬件設計。因此，LXI掃描開關模塊的硬件設計就主要為功能板的電路設計。圖2-2 功能電路硬件結構框圖如圖2-2所示，LXI核心板與功能板之間通過EBI總線實現(xiàn)通信。在功能板中，F(xiàn)PGA通過IO輸出高、低電平，并經(jīng)過驅(qū)動電路實現(xiàn)對模式選擇繼電器和開關量繼電器的控制，其

36、中模式選擇繼電器能夠改變開關量繼電器的連接狀態(tài)，開關量繼電器與外部節(jié)點和外部系統(tǒng)相接。LXI掃描開關模塊的功能電路是實現(xiàn)對繼電器斷開和閉合的控制的關鍵模塊。其主要負責與嵌入式微處理器ARM的并行通信，接收ARM數(shù)據(jù)并實現(xiàn)對繼電器的控制。本掃描開關模塊中，使用FPGA器件作為整個功能電路的主控制器。相比于單片機，這些器件具有充足的IO引腳資源可直接對64路繼電器實現(xiàn)控制。而對于整個控制過程，可以在微處理器ARM的Linux操作系統(tǒng)中通過軟件來實現(xiàn)控制，也可以通過邏輯設計來實現(xiàn)對繼電器的控制。相比之下，采用邏輯設計進行控制，避開了軟件上程序必須順序執(zhí)行的限制，F(xiàn)PGA內(nèi)各個時序模塊并行運行的特點為

37、多組繼電器同時掃描提供了條件。由于掃描開關是一個低速應用的模塊，對控制器件的性能要求不高。因此使用Altera的Cyclone I系列成本偏低性能偏低的FPGA便能滿足設計的需求，封裝使用的是PQFP。2.4 軟件設計方案LXI掃描開關模塊軟件設計主要包括2大部分：ARM內(nèi)Linux操作系統(tǒng)下的命令解析和執(zhí)行服務程序，上位機中的IVI-COM驅(qū)動程序和網(wǎng)頁界面設計、軟面板設計。圖2-3 軟件系統(tǒng)的結構框圖如圖2-3所示，上位機具有兩種途徑能夠向微處理器ARM發(fā)送控制指令及控制參數(shù)，一種是通過WEB網(wǎng)頁控制，另外一種是通關過IVI-COM驅(qū)動程序控制。2.4.1 基于WEB網(wǎng)頁控制的軟件方案每個

38、LXI儀器都是一個獨立的網(wǎng)絡設備，所有LXI儀器都必須提供包括產(chǎn)品主要信息在內(nèi)的歡迎網(wǎng)頁及LAN配置網(wǎng)頁，A類和B類設備還要具有同步配置網(wǎng)頁。此外，儀器還可以提供狀態(tài)、其他頁面，來顯示儀器的當前狀態(tài)和其他信息。這些網(wǎng)頁通過HTTP80端口連接到網(wǎng)絡，并可以通過標準W3C網(wǎng)絡瀏覽器查看。從Web接口的角度看，LXI儀器類似于一個Web服務器，控制計算機可以像訪問Web站點一樣訪問LXI的儀器，查看儀器的配置或者狀態(tài)信息，還可以通過Web網(wǎng)頁對儀器進行控制。在信息技術和個人電器的迅速發(fā)展的背景下，全球的嵌入式操作系統(tǒng)平臺也得到快速發(fā)展，目前廣泛使用的嵌入式OS包括Linux、WinCE、VxWor

39、ks等等，每個系統(tǒng)都有其獨特的特長，VxWorks是極好的實時操作系統(tǒng)，在對響應時間有嚴格要求的系統(tǒng)中是較好的選擇，WinCE由Microsoft研發(fā)和支持，擁有強大的窗口資源支援，適合在手持式個人電子產(chǎn)品中應用。Linux開放源代碼，經(jīng)過了近20年的發(fā)展，已經(jīng)成為一個健壯的可靠的高性能的操作系統(tǒng)，其最大的優(yōu)勢在于它是一個完全開放和透明的操作系統(tǒng)，用戶可以最大限度地控制系統(tǒng)開發(fā)的配置、進度和成本。Linux是模塊化的操作系統(tǒng)，提供了優(yōu)秀的可縮放功能，用戶可以根據(jù)自己的需要，選擇特定的功能模塊，自主地搭建嵌入式操作系統(tǒng)。這很好地解決了大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)對于操作系統(tǒng)的大小的敏感。Linux內(nèi)置網(wǎng)絡支

40、持，擁有強大的網(wǎng)絡功能，用戶可以輕松地使自己的嵌入式具有網(wǎng)絡功能。基于Web網(wǎng)頁的控制方式，需要在ARM內(nèi)的Linux操作系統(tǒng)的后臺下運行Web服務器。通過上位機的瀏覽器訪問儀器的網(wǎng)絡地址可以打開儀器的歡迎界面，并在歡迎界面下可以通過鏈接轉(zhuǎn)到IP設置、功能控制等相應的界面。網(wǎng)頁界面能夠調(diào)用對應的CGI程序?qū)崿F(xiàn)對控制命令的解析和執(zhí)行。2.4.2 基于IVI-COM驅(qū)動控制的軟件方案LXI規(guī)范中規(guī)定：LXI設備必須提供IVI規(guī)定的驅(qū)動程序，并且如果設備符合LXI類規(guī)范，其驅(qū)動程序必須是類兼容的。IVI規(guī)范對儀器驅(qū)動程序的結構、功能以及各個方法和屬性的實現(xiàn)均做了詳細的規(guī)定。雖然IVI基金會并沒有要求

41、特定的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)技術，但在LXI設備中提供統(tǒng)一的IVI驅(qū)動程序解決方案能夠極大地提高用戶效益。IVI驅(qū)動的實現(xiàn)普遍有兩種方式，一種是通過NI LabVIEW等工具實現(xiàn)的IVI-C驅(qū)動程序，它是基于C語言的實現(xiàn)，另一種是在Visual Stdio下實現(xiàn)的IVI-COM驅(qū)動程序，IVI-COM指IVI（Interchangeable Virtual Instrumentation）驅(qū)動的COM實現(xiàn)。規(guī)范推薦使用后一種方式實現(xiàn)，IVI-COM驅(qū)動能夠獲得較好的交互性，而且絕大部分應用程序開發(fā)環(huán)境都支持微軟的COM技術。IVI儀器驅(qū)動程序根據(jù)API分類的方式可分為IVI-C和IVI-COM，它們分別

42、是ANSI-C和COM技術與虛擬儀器結合的產(chǎn)物。由于IVI-COM驅(qū)動程序是以所有主要應用程序開發(fā)環(huán)境都支持的微軟COM技術為基礎的，為想要獲得互換性的用戶提供了極好的工具，LXI標準推薦使用IVI-COM驅(qū)動程序。該掃描開關模塊屬于C類儀器，其驅(qū)動程序可直接采用已被開發(fā)過的類兼容IVI-COM驅(qū)動程序，在此基礎上，需要設計Linux操作系統(tǒng)下的命令解析和執(zhí)行程序以及用以簡化操作的軟面板。2.5 本章總結本章給出了LXI掃描開關模塊的主要技術指標和功能要求，并在此基礎上詳細介紹了系統(tǒng)的總體設計方案，包括硬件設計方案和軟件設計方案。給出了硬件、軟件總體的結構框圖，對主要的硬件設計方案進行分析，闡

43、述了軟件設計的客戶需求以及技術要求。第3章 硬件電路設計及邏輯設計LXI掃描開關模塊的硬件電路主要為LXI功能板的電路設計，本章將詳細闡述整個功能板的電路設計以及其中FPGA芯片的內(nèi)部邏輯設計。3.1 功能板電路設計LXI的核心板是一塊以ARM為處理核心的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式微處理器為AT91RM9200，該芯片融合了ARM920T核心并集成了許多標準接口控制器，同時為了提升其開發(fā)效率，該處理器還集成了包括JTAG和專用UART調(diào)試通道在內(nèi)的一系列調(diào)試功能。嵌入式微處理器與晶振電路、復位電路、存儲電路SDRAM和FLASH等組成一個基本的可運行的嵌入式系統(tǒng)。它與掃描開關功能電路通過EBI總線進行

44、。LXI功能電路主要由5大部分組成：FPGA與核心板的ARM接口、主控制器FPGA、模式控制繼電器組、開關量繼電器組、繼電器與外部節(jié)點接口。接下來將依據(jù)這5個最基本展開具體的電路設計。3.1.1 FPGA與核心板ARM接口設計LXI掃描開關功能板采用標準的96孔插座與LXI的96針插針相連。核心板的微處理器ARM通過該接口實現(xiàn)外部總線EBI與功能板FPGA的通信。其中包括16位地址線、16位數(shù)據(jù)線、讀寫控制信號線和片選線。ARM通過EBI總線向FPGA的寄存器中寫參數(shù)數(shù)據(jù)或者向FPGA發(fā)送使能信號。同時，核心板還能通過該96CON接口向FPGA發(fā)送一些額外的功能信號（暫時沒有使用），包括硬件復

45、位信號，另外能夠向功能板輸出5V電壓、3.3V電壓、地。在核心板上，ARM的外部總線EBI會先接到LCX16245緩沖芯片。由于在ARM不向FPGA寫數(shù)據(jù)或者從FPGA讀數(shù)據(jù)時，需要將EBI總線置為三態(tài)，否則將導致ARM在向FPGA內(nèi)的寄存器寫數(shù)據(jù)或者從寄存器讀數(shù)據(jù)時發(fā)生錯誤。使用LCX16245緩沖芯片，并在ARM內(nèi)編寫控制該芯片的驅(qū)動。在ARM需要向FPGA內(nèi)寄存器寫或者讀數(shù)據(jù)之前打開LCX16245芯片。否則則關閉LCX16245芯片，將ARM于FPGA之間的通信總線置為三態(tài)，保證不會有錯誤數(shù)據(jù)的傳輸。3.1.2 繼電器排布設計和繼電器與外部接口設計LXI掃描開關模塊一共具有64個開關量

46、繼電器。在設計時，一共將它們分為4組，平均每16個繼電器為一組。每個繼電器的左端或者右端閉合端分別與一路外部節(jié)點接口相連。而每一組繼電器的所有左端或者右端的公共端則彼此相連，并接至一路外部公共端口。模塊的前面板上設有兩個標準的78芯插座，用以實現(xiàn)繼電器與外部節(jié)點和外部數(shù)據(jù)采集或者信號獲取系統(tǒng)的連接。圖3-1 繼電器連接示意圖如圖3-1所示，每個繼電器具有左端常開（NO）觸點Hi和右端常開觸點Li，它們分別接至一個外部節(jié)點。所有開關量繼電器的常閉觸點NC端都懸空。圖為一組繼電器的連接示意圖，可以看見改組繼電器的所有左端都連至Left-COM，所有右端都連至Right-COM。在使用時，被控制的繼

47、電器逐一閉合，則相應繼電器相連的外部節(jié)點則會逐一將自身的數(shù)據(jù)傳輸至公共端口。除了64個開關量繼電器，LXI掃描開關模塊還具有另外七個繼電器用以控制掃描方式的選擇。圖3-2 掃描方式控制繼電器示意圖如圖3-2所示，這七個掃描方式選擇繼電器在功能上也大體分為2大類。圖3-2上方的繼電器示意圖表示當該繼電器閉合時，會將第一組開關量繼電器的左端公共端與第二組開關量繼電器的左端公共端相連，由于該七個繼電器也屬于雙刀雙擲開關繼電器，所以相應的，也會將第一組與第二組開關量繼電器的右端公共端相連。同時，相應的另外2個繼電器能夠?qū)崿F(xiàn)將第二組和第三組、第三組和第四組的公共端相連。而圖3-2下方的繼電器示意圖則表示

48、當該繼電器斷開時，會選擇將第一組開關量繼電器的左端公共端與COM1相連，當該繼電器閉合時，會選擇將第一組開關量繼電器的右端公共端與COM2相連。以此類推，還有另外三個繼電器負責此功能分別應用于第二、三、四組繼電器。前面板的兩個78芯插座分別與64個繼電器的128個常閉觸點相連，同時與每一組繼電器的左端、右端公共端相連，以后4個掃描方式選擇繼電器的COM1-COM4相連。3.1.3 繼電器驅(qū)動電路設計繼電器在使用時，需要考慮控制電路的電壓以及電流。LXI掃描開關模塊使用型號為TX-2 5V的繼電器。在電壓方面，由電路的5V電源直接提供使用電壓。在電流方面，如果直接將FPGA的I/O引腳接至繼電器

49、控制端口，則作為輸出的FPGA I/O引腳的輸出電流無法保證對繼電器控制端口的驅(qū)動，因此需要設計驅(qū)動電路來增加驅(qū)動電流。MC1413驅(qū)動芯片是一款較為普遍的驅(qū)動繼電器的芯片，它是一個7路地反相緩沖器，它的每個輸出端口最多能夠提供500mA負載電流，能夠滿足所使用繼電器的驅(qū)動要求。如圖3-3所示為MC1413芯片一路通過三極管實現(xiàn)電流放大的原理圖和該芯片的引腳圖。圖3-3 MC1413原理圖及芯片引腳圖設計時，將每一個驅(qū)動繼電器的FPGA的I/O引腳接至MC1413驅(qū)動芯片的一個輸入引腳，并將相對應的MC1413輸出引腳接至相應的繼電器，實現(xiàn)對繼電器斷開和閉合的可靠控制。3.2 FPGA芯片內(nèi)部

50、邏輯設計LXI掃描開關模塊采用FPGA芯片作為功能電路的主控制器。相比于單片機FPGA具有更加充足的I/O資源來實現(xiàn)對64路繼電器的直接控制。同時相比于用軟件實現(xiàn)控制過程，采用FPGA進行邏輯控制能夠?qū)崿F(xiàn)對多組繼電器的同時掃描，因為軟件的程序必須順序執(zhí)行，而FPGA內(nèi)的各個時序模塊則能夠同時運行。整個控制邏輯設計下來，一共使用了4500個邏輯資源以及91個IO引腳資源。在Cyclone一代系列和PQFP封裝的前提下，根據(jù)設計需要選擇了EP1C6Q240C8該型號FPGA。該型號FPGA具有6000個可用邏輯資源以及185個可用IO引腳資源，都滿足本模塊的設計需求。圖3-4FPGA內(nèi)部邏輯結構框

51、圖圖3-4為所示，F(xiàn)PGA內(nèi)部主要由地址譯碼模塊、參數(shù)設置模塊、掃描時鐘生成模塊、掃描實現(xiàn)模塊組成，接下來將對每個模塊具體的實現(xiàn)過程做詳細的描述。3.2.1 地址譯碼模塊地址譯碼模塊專門用以實現(xiàn)對ARM發(fā)來的地址信號的識別。FPGA與ARM之間一共有8根地址線相連。FPGA可對ARM內(nèi)的00H-FFH內(nèi)存控制進行讀寫操作。該模塊輸入為8條地址線、ARM寫控制線、片選線，輸出為256位控制線，內(nèi)部通過組合邏輯將輸入與輸出相聯(lián)系，實現(xiàn)了8-256的地址譯碼功能。圖3-5地址譯碼功能實現(xiàn)示意圖如圖3-5所示，片選信號NCS、寫信號nWE、地址信號ADDR通過與運算實現(xiàn)對寫入地址的識別。該圖表示，當A

52、RM通過地址00H向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)時，“或”邏輯所有輸入都為低電平，nWR1信號被置為低電平。3.2.2 參數(shù)設置模塊對于掃描的控制，不單只有掃描方式這一方面，同時在每一種掃描方式下，每一組繼電器都還需要有各自的掃描參數(shù)要求：包括起始的掃描節(jié)點、終止的掃描節(jié)點、整個掃描的循環(huán)次數(shù)等。這就需要設置相應的寄存器來裝載這些掃描參數(shù)以實現(xiàn)對這些參數(shù)的使用。參數(shù)設置模塊通過地址譯碼模塊的輸出控制線打開相應參數(shù)寄存器的被寫入功能，然后通過EBI的數(shù)據(jù)總線相連，實現(xiàn)對該寄存器參數(shù)的配置。掃描的起始、終止節(jié)點都最大為128號節(jié)點，使用8位的數(shù)據(jù)總線可一次性將需要的參數(shù)寫入對應的寄存器。整個掃描的循環(huán)次數(shù)采用

53、16位的寄存器進行設置，對于一次只能傳8位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線而言需要連續(xù)傳送2次，而所能夠達到的最大的掃描循環(huán)次數(shù)也就為2的16次方65536次。如圖3-6所示，模塊中每一個需要由ARM寫入數(shù)據(jù)的寄存器與一個地址相映射。當?shù)刂沸盘柕絹?，通過一級鎖存以保證對該信號的可靠采集，然后通過與“與”邏輯來檢測寫信號的上升沿，當檢測到寫信號的上升沿時，打開數(shù)據(jù)寄存器的使能，數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)被寫入相應的寄存器。之后地址信號消失，數(shù)據(jù)寄存器的使能被關閉。以此方式實現(xiàn)將各個掃描參數(shù)配置到相應的寄存器中。圖3-6 數(shù)據(jù)寫入寄存器示意圖3.2.3 掃描時鐘生成模塊FPGA所采用的晶振頻率往往至少為兆級的，所對應的時間間隔

54、也就至少都是微秒級的，而對于掃描開關模塊的掃描間隔最對不能低于毫秒級。因為繼電器的閉合與斷開都是需要一定時間的，這是硬件器件上必然存在的一個時間。對于普通的繼電器，這一動作時間一般在20毫秒左右，而即使性能再好的繼電器，該動作時間也不可能小于10毫秒。如何在上一個繼電器閉合還沒有來得及斷開之前就將下一個繼電器閉合，則會導致兩個節(jié)點同時連到公共端COM，很容易引起電路的損壞。整體而言掃描開關模塊屬于一個應用于低速場合的模塊。由于需要對晶振產(chǎn)生的時鐘源分頻，同時需要能夠產(chǎn)生任意毫秒級的時鐘頻率，所以采用頻率不算太高而且有效數(shù)字為10的整數(shù)倍的20M晶振，使得對掃描時鐘的產(chǎn)生簡潔化。該模塊以計數(shù)器的

55、方式實現(xiàn)對時鐘源的分頻，計數(shù)次數(shù)由FPGA內(nèi)相應的寄存器給出。模塊內(nèi)通過地址譯碼器輸出的控制線實現(xiàn)對計數(shù)值寄存器寫入功能的打開，并通過EBI數(shù)據(jù)總線向寄存器內(nèi)寫入需要的計數(shù)值。采用32位的寄存器對計數(shù)值進行配置，最高可實現(xiàn)3分鐘的掃描間隔，最低的掃描間隔則由繼電器的性能決定，建議掃描間隔不要低于1000毫秒。圖3-7 掃描間隔設置模塊示意圖如圖3-7所示，掃描時鐘產(chǎn)生模塊與參數(shù)設置模塊類似，最終由數(shù)據(jù)總線寫入寄存器的數(shù)據(jù)給到計數(shù)器，用以對源時鐘實現(xiàn)計數(shù)分頻。3.2.4 掃描實現(xiàn)模塊最終掃描功能的實現(xiàn)以通過對寄存器的循環(huán)移位操作方式來進行。掃描間隔由掃描時鐘生成模塊輸入，掃描的起始位、終止位和循

56、環(huán)次數(shù)都由參數(shù)設置模塊輸入。由于有10種掃描方式的要求，10種掃描方式對于繼電器的分組上有很大區(qū)別。因此在邏輯中，掃描實現(xiàn)模塊總共由十部分組成，每一部分對應一種掃描方式的具體控制。包括有的掃描方式需要在掃描過程中改變掃描方式控制繼電器的輸出，每一種掃描方式對應的掃描組數(shù)也不同等等。因此將每一種掃描方式的控制邏輯單獨編寫，更有利于理清整個掃描的實現(xiàn)過程。十種掃描模式都將自己的開關量繼電器以及掃描方式控制繼電器的輸出傳送給總的掃描實現(xiàn)模塊。總的掃描實現(xiàn)模塊將根據(jù)掃描方式的使能來選擇將相應的輸出輸出到FPGA的繼電器控制引腳。根據(jù)不同的掃描方式，會將繼電器分為不同的組數(shù)。因為每組方式的掃描設置不同，

57、則采用了雙層使能的控制方法：即每一組繼電器都有自己的使能，同時又有一個總使能。只有當某一組繼電器的兩個使能同時開啟時繼電器才會開始掃描。如圖3-8所示，當掃描使能開啟后，首先檢測掃描時鐘的上升沿，保證一個時鐘周期對繼電器進行一次操作。掃描過程首先判斷掃描圈數(shù)是否達到設定的掃描圈數(shù)，如果達到了，則將改組移位寄存器清零。因為該組掃描結束的時候不能保證別的組也掃描結束，因此此處采用將移位寄存器清零，則繼電器不會再有動作。如果仍處于掃描中，則再判斷此圈是否已經(jīng)達到設定的掃描次數(shù)，如果達到了，則掃描圈數(shù)計數(shù)寄存器加一，再重新判斷掃描圈數(shù)是否達到。如果掃描次數(shù)尚未達到，則對寄存器進行移位操作，并將掃描次數(shù)

58、計數(shù)寄存器加一，再重新回到掃描圈數(shù)的判斷。圖3-8掃描流程圖3.3 本章小結本章詳細介紹和分析了LXI掃描開關模塊的硬件電路設計，包括LXI功能板的電路設計以及FPGA芯片內(nèi)的邏輯設計。LXI功能板的FPGA作為主控制芯片，能夠和LXI核心板的ARM通過EBI總線進行通信，并實現(xiàn)對電路上各個繼電器的控制。所有繼電器按照一定的分組連接，實現(xiàn)對多路信號的轉(zhuǎn)換功能。第4章 軟件設計所有LXI設備都能夠通過兩種方式實現(xiàn)上位機與LXI核心板的微處理器之間的通信。一種是基于WEB服務器實現(xiàn)控制的方式，另外一種是基于IVI-COM驅(qū)動程序進行控制的方式。4.1 基于WEB服務器的控制方式WEB服務器是指在網(wǎng)絡中使用，通過WEB網(wǎng)