基于PC/104總線的轉臺速率校準卡的設計

　　　　　　　　　　　　　圖1 轉臺速率校準原理圖

1 整體設計

　　轉臺速率校準卡的結構框圖如圖2所示。整個轉臺速率校準卡主要由SPI接口電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)字隔離電路、無線傳輸電路和電平轉換電路幾部分組成。

　　SPI接口電路是由CPLD器件組成，負責PC104處理器與具有SPI總線的外圍設備進行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)采集和數(shù)字隔離電路，是由A/D轉換器、基準電壓源和數(shù)字隔離模塊組成，負責將速率陀螺輸出的模擬信號通過高精度的A/D轉換器轉換成數(shù)字信號，并將數(shù)字信號進行數(shù)字隔離，隔離后的數(shù)據(jù)通過SPI接口送入主處理器。無線傳輸和電平轉換電路，是由無線傳輸模塊、電平轉換器以及電源模塊構成，電路負責將送入內存的高精度速率陀螺的數(shù)據(jù)，通過無線傳輸模塊的發(fā)射，傳送給地面的計算機，并運用軟件對數(shù)據(jù)進行分析和處理。

　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 轉臺速率校準卡的結構

2 SPI接口電路

2．1 基于CPLD器件的SPI設計結構

　　在總線接口電路的設計中，采用了具備在系統(tǒng)可編程能力的復雜可編程邏輯器件CPLD取代傳統(tǒng)的標準邏輯電路?；贑PLD設計的SPI接口其目的在于為PC104的處理器擴展SPI接口的功能。能夠實現(xiàn)PC104總線與SPI總線之間的通信。

　　為了滿足擴展SPI接口功能，基于CPLD的SPI接口必須具有以下功能：①與PC104總線的接口功能；②多位外部從機選擇功能；③時鐘極性和相位選擇不同，有四種傳輸模式功能；④SPI數(shù)據(jù)傳送完成標志。在SPI接口中，我們采用的芯片是EPM7128SLC-84，它的I/O接口被定義為SPI接口的控制線、數(shù)據(jù)線和地址線等。SPI接口的結構框圖如圖3所示。在我們設計的速率校準卡的SPI接口中，狀態(tài)端RDY和片選端CS已經(jīng)夠用。如果外部有更多的SPI接口模塊，我們可以通過軟件的編程與設置，擴展更多的狀態(tài)端RDY和片選端CS，并共用時鐘線和數(shù)據(jù)線，實現(xiàn)擴展具有SPI接口的外部設備。

　　　　　　　　　　　　　　　圖3 SPI接口的結構框圖

2．2　軟件設計

　　PC104的處理器通過CPLD的SPI接口，實現(xiàn)了SPI接口的擴展。其系統(tǒng)軟件設計主要包括兩部分。第一部分是SPI接口功能電路的VHDL語言軟件設計，該軟件設計是利用MAXplusⅡ開發(fā)的軟件平臺開發(fā)的。該軟件的編程是采用層次化設計的方法。頂層中包括兩大模塊，即：PC104接口模塊和SPI接口模塊。在PC104接口模塊中建立了接口中各寄存器的地址和構造了各寄存器。在SPI接口模塊中又包括SPI控制模塊、SPI邏輯模塊、SPI移位接收模塊和SPI移位發(fā)送模塊等。第二部分是PC104處理器與SPI接口之間通信的軟件設計，在這一部分中，我們使用的CPU的主板是基于PC104總線的HXL/DX-440，由于它的基本配置相當于486計算機的主板，因而可以很方便的使用DOS操作系統(tǒng)，利用C語言來實現(xiàn)對SPI接口中數(shù)據(jù)傳送完成位的檢測、對CPLD中各寄存器的讀寫操作以及對模數(shù)轉換器送入的數(shù)據(jù)進行計算和處理。

3　數(shù)據(jù)采集與隔離電路

　　數(shù)據(jù)采集與隔離電路的結構框圖如圖4所示，其核心是AD7732和ADuM1401。AD7732是AD公司采用∑-S技術產(chǎn)生的24位串行模數(shù)轉換器，模擬輸入通道在AD7714的基礎上作了較大改進，可用于高頻小信號的測量。ADuM1401是一種新的iCoupler數(shù)字隔離器，它采用平面磁場專利隔離技術實現(xiàn)隔離，該芯片能夠替代光電耦合器。其主要優(yōu)點在于：①不需要使用多個分立器件，僅用一個單芯片就實現(xiàn)了多通道數(shù)字隔離；②與現(xiàn)在普遍使用的光電耦合器相比，其印制電路板（PCB）面積縮小60％，功耗降低98％；③不需要驅動LED的外部電路；④具有比光電耦合器更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時序精度和瞬態(tài)共模抑制能力；⑤在同一芯片內提供正向和反向通信通道。

　　AD780是高精度的參考電壓源，它為AD7732提供2.5V基準電壓。陀螺輸出的模擬電壓接入AD7732的輸入端，通過A/D轉換器的模數(shù)轉換，以SPI串行數(shù)據(jù)的格式輸出。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與A/D轉換器的精度，在A/D轉換器與SPI接口間加入了數(shù)字隔離器ADuM1401，試驗表明隔離器的加入能夠提高模數(shù)轉換器的精度以及對外界的抗干擾性。電路中用了兩片ADuM1401，是因為ADuM1401是兩入兩出的4通信通道隔離器，而我們設計的是對5個信號的數(shù)字隔離。

　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　數(shù)據(jù)采集與隔離電路的結構框圖

4 無線傳輸與電平轉換電路

　　無線傳輸與電平轉換電路結構框圖如圖5所示。其核心是nRF2401，它是無線收發(fā)一體芯片，都工作在2.4GHz自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻。nRF2401支持多點間通信，最高傳輸速率超過1Mbit/S。它采用SoC方法設計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。沒有復雜的通信協(xié)議，它完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。

　　nRF2401的電源電壓范圍為1.9～3.6V，利用主板上的+5V電源，通過MIC2937A將電壓轉換為3.3V，為nRF2401提供電源電壓。我們利用的電平轉換器CD4504（TTLCCMOS或CMOS，CCMOS）,是為了使系統(tǒng)的+5V的電平信號與無線傳輸?shù)?3.3V電平信號之間的轉換，以便使系統(tǒng)能夠與無線模塊間進行通信。

5　結束語

　　開發(fā)的便攜式轉臺速率校準卡能對中低精度轉臺的速率進行標定，并取得了良好的效果，解決了中低精度轉臺沒有校準裝置的問題。同時通過使用CPLD對SPI接口的開發(fā)和利用，使我們學習到只要對本文所介紹的SPI接口的設計方法作適當?shù)淖儞Q，就能用于哪些沒有SPI接口功能的處理器和控制器。從而能夠為那些沒有SPI接口功能的處理器和控制器擴展SPI接口電路，來實現(xiàn)與具有SPI總線的外圍設備進行數(shù)據(jù)交換。

參考文獻
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