基于FPGA和RS422接口的数据采集存储测试技术

2022-07-08张静

电子技术与软件工程 2022年2期

张静

（新疆维吾尔自治区哈密市检验检测中心新疆维吾尔自治区哈密市 839099）

随着科技革命的进一步深入，工业制造业、航空航天以及兵器工业等领域自动化水平越来越高。无论是工业装备、运载火箭、空间飞行器，还是各类导弹、火炮，在研制研发成功后均需要进行大量的前期试验验证，用于获取装备关键节点状态参数、工作环境参数等数据，以进一步分析装备故障产生原因和优化改进装备性能。因此，测试测量检验技术的发展直接决定了装备试验成败和装备发展水平。

随着电子技术和集成电路的发展，目前已有相关测试设备/仪器被研发出来以解决装备研发更新所遇到的问题。但是普遍存在数据记录繁琐、传输速度低等缺点。本文针对上述难点，深入研究数据采集存储测试技术，提出了基于FPGA主控芯片和RS422传输接口的数据记录器，实现了对装备关键试验数据的有效、正确采集与编码，并高速存储至Flash芯片中，以备后续处理分析。本文设计的数据记录器能够为相关装备的研发和更新提供丰富的数据支持，有效节约研发周期。

1 系统整体设计

本文设计构建的数据记录器，其目的是对工业制造业、航空航天、兵器工业等领域装备关键节点工作状态、工作运行环境等关键参数数据进行实时采集与有效存储，待测试完成后再由专业工作人员将存储的数据读取出来进行分析处理，以正确评估设备工作运行状态并指导优化改进设计方案。该数据记录器功能主要如下：

（1）能够正确接收（采集）由各个传感节点采集到的大量有效数据；

（2）将采集到的上述有效传感数据进行编码并实时存储至大容量存储单元。

本文构建的数据记录器总体设计框图如图1所示。

图1：系统总体设计框图

2 系统硬件设计

根据第一节所述功能，本文设计的数据记录器硬件电路设计主要有以下三大部分：RS422接收模块、主控芯片模块以及Flash存储模块。

2.1 RS422接收模块设计

本文设计的数据记录器采用全双工RS422总线作为通讯模块（数据传输模块），其具有可靠性高、可多点通信的特点。本文基于DS26C32芯片设计了数据接收电路模块，其电路原理图如图2所示。该芯片可将差分信号转化为TTL/CMOS电平，然后再传输至FPGA主控芯片对应管脚。为提高电路板通用特性和数据记录器广泛应用特性，在原理图绘制和PCB布板时绘制多个电阻，在实际使用中可根据实际情况选择电阻的焊接与断开，从而实现逻辑电平信号的选择。

图2： DS26C32芯片电路设计图

2.2 主控芯片模块设计

本文选择FPGA芯片作为主控单元，FPGA（Field Programmable Gate Array）是数字电路中最重要的设计平台之一，是在EPLD、CPLD等可编程器件上发展而成，具有可编程I/O、可控时钟等逻辑功能。本次设计选取Xilinx公司Spartan-6系列的XC6SLX16作为主控芯片。Spartan-6系列芯片具有低功耗管理技术，功耗较前几代降低了50%以上，其在本设计中所表现的优势有：

（1）大量的I/O资源并且支持多种I/O标准，提高了开发灵活性；

（2）丰富的片上资源，数据采集、解码控制、数据存储、数据回读等过程均需要解决异步通信难题，而该芯片所具有的RAM资源可用于构建异步FIFO从而实现异步通信。图3为主控芯片电路设计图，该图包括FPGA芯片及其外围相关电路。

图3：主控芯片电路设计图

2.3 Flash存储模块设计

本文选择三星公司Flash芯片（K9WBG08U1M）作为系统存储单元，其容量达到4GB，并有128MB容量可存储内部无效块标志信息，可以很好的适应工业控制或者军事领域等复杂恶劣环境下的数据存储测试要求。该芯片的8个I/O口由地址线和数据线复用，本文采用3.3 V供电（图4）。

图4：Flash芯片电路设计图

3 系统软件设计

系统上电复位后，主控芯片会判断接收到的数据的帧头是否与设定值一致，若一致，则会将数据处理后存入Flash芯片；若不一致，则会继续不间断判断所采集到的数据，直至一致为止。图5为系统程序逻辑框图。主要程序如下：

图5：系统程序逻辑框图

4 测试结果

本文设计了闭环自检测试验证程序以验证构建的电路系统的可靠性与正确性。测试开始时，在上位机软件选择“开始存储”按钮后发送数值为（16进制78F4）的数据通过RS422传输到系统，系统接收到命令后，便会启动存储功能。系统接收的数据格式为从00开始的递增数（00到FA），接下来8位是帧计数，帧尾是“FA F3 20”。当上位机点击“停止存储”后，系统便会停止存储，然后点击“远程读数”，上位机会通过RS422发送命令（78 EA）至系统。通过上位机便可读取到系统存储的数据，如图6所示，可以看出，数据是从00一直递加到FA，然后是计数值，帧尾是“FA F3 20”，与发送数据完全一致，验证了系统可靠性与正确性。