网络化虚拟测控系统的设计

相对于PCI9054，HOLD、ADS#、BLAST、LWR#、LA[31．．2]为输出信号，READY#、LHOLDA为输入信号，LD[31．．0]是双向信号。由于本实验仪器数据传输宽度为8位，局部地址线最低2位LA0和LA1分别由BE0和BE1信号提供，数据对齐方式采用大端模式(由BIGEND#引脚及寄存器决定的)。对Local端为I／O类型的引脚，需要根据实际情况和引脚极性上拉或下拉电阻，如ADS#、HOLD、局部地址信号等。图3中DMA方式读数据逻辑状态图转换描述如下：当检测到HOLD=1时，在下个时钟周期赋值HOLDA=1，转到状态S1；ADS#下降沿到达时，从LA[31．．2]及BE1、BE0读取地址，转到状态S2；如果LWR#=1(读数据)且BLAST=1、READY#=0，转到状态S3；在下一个时钟周期上升沿从本地数据总线LD[0．．7]把数据读入到PC19054内部，循环读取数据直至BLAST信号下降沿出现，转到S4；如果HOLD=1、HOLDA=1，则转到S1，否则转到S0。
SOPC系统使用CYCLONEII系列可编程逻辑器件EP2C5F256C8，通过SOPC Builder定制和仿真NioslI微处理器及其外围系统，包括软核CPU、并行输入输出(PIO)、多通道A／D及D／A转换控制逻辑、UART串行接口、网络控制逻辑、计数器／定时器、双口FIFO控制器、SRAM控制器以及FLAS H控制器等外围设备组成等。其中，PIO用于SOPC系统与外部设备的数字量输入输出；网络控制逻辑与以太网接口芯片LAN91C111实现SO PC系统与外部设备之间的网络通信。LAN91C111是SMSC公司生产的10M／100M以太网接口控制芯片，它通过8、16、32位总线与嵌入系统连接，是理想的NIOSII微处理系统以太网解决方案。上述接口控制逻辑均由SOPC Builder工具选择相应的IP核及其相应的VHDL，通过编译整个系统建立一个完整的嵌入式系统。SOPC系统不仅接收主机命令以及数据传输，而且可以与其他外部设备进行通信。
为保证测控系统的可靠性和通用性，电路设计采用以下关键技术：
1)多通道模拟信号采集与控制该模块由输入信号差模转换电路、8选1模拟开关MPC508A、AD公司的集成程控信号放大器AD620、跟随器、1片采样速率高达2．2 MHz、14位高速模数转换器MAX1201、缓冲驱动电路以及光电耦合隔离器TIL300电路组成。其工作过程为，多路输入模拟量(0～5V)首先由低噪声、宽频带运算放大器MAX4108组成差分电路把传感器信号转化为差分信号来消除电路干扰，并由模拟选择开关ADG526A选通一路模拟信号，然后经过程控信号放大器AD620放大同时使输入信号由差分转化为单端信号进入A／D转换器MAX1201。MAX1201输出的数字信号经过光电耦合隔离器进入FIFO缓冲区，缓冲区满时通过向单片机或PC机发出中断请求信号实现数据的读取。
程控信号放大器AD620的增益放大倍数有×1、×2、×10、×100、×1 000五档，由FPGA中的信号通道控制逻辑控制AD620的放大倍数，提高对传感器信号的适应性。模数转换器MAX1201内部有数字误差自校正和自校正功能，具有良好的信噪比和抗谐波失真特性。差分转换电路不仅能够提高抗干扰性能，而且还可以增大信号的量程。采用A／D转换器MAX1201的目的是，提高信号的转换精度，并且接口电路简单、便于与FIFO连接。MAX1201的工作方式分为程序启动、外部触发信号启动。A／D转换速率由SOPC系统定时器产生的波形频率控制，根据A／D转换结束标志由FPGA中的采样控制逻辑自动完成采样数据的存储。