摘要：為實現(xiàn)尺寸較大、內部結構較為復雜的星栽電子設備的多余物自動檢測，設計了以EZ-USB FX2和CPLD芯片為核心器件的數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)了四通道的同步數(shù)據(jù)采集和傳輸。此系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)緩存以及數(shù)據(jù)控制和傳輸，分別采用了采樣率為500 k的12位A／D轉換器件AD7892、16 kx18位的FIFO CY7C4265、EPM7064和USB芯片CY7C68013。重點介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成和軟件設計，包括USB的固件程序、CPLD的控制程序和主機用戶程序。實驗結果表明，該系統(tǒng)能達到穩(wěn)定傳輸速度為15．4 MB／s，保證了四通道同時以500 k的采樣率工作的穩(wěn)定性和正確性。
關鍵詞：多余物；電子設備；USB；CPLD；CY7C68013

    星載電子設備是航天電子系統(tǒng)中不可缺少的電氣部分，直接影響著航天電子系統(tǒng)的可靠性。多余物是影響電子設備可靠性的主要因素之一。多余物是指在電子設備生產、制造、封裝及使用過程中在其密封腔體內部殘留或產生的各種金屬或非金屬顆粒。在航天設備工作過程中，外部沖擊或振動使多余物游離隨機運動碰撞，可能導致電子設備內部器件誤動作或失效，甚至造成航天事故，是亟待解決的重大問題。
    微粒碰撞噪聲檢測法(Particle Impact Noise Detection，PIND)是目前應用最為廣泛的一種多余物檢測方法。目前，元器件級(如繼電器)的PIND方法已經(jīng)被列入我國軍事工業(yè)標準，對保證我國應用于航天型號中軍用電子元器件有無多余物起到了重要的作用。相對于電子元器件，電子設備的尺寸更大、重量更重、內部結構更為復雜，由于電子設備和電子元器件在諸多方面的差異，使得電子元器件的PIND方法無法適用于電子設備。針對電子設備這樣系統(tǒng)級的多余物檢測方法，還沒有標準可循，相關的研究還處于探索階段。
    數(shù)據(jù)采集技術是多余物檢測系統(tǒng)中一個極為重要的信息處理環(huán)節(jié)，考慮到利用各通道數(shù)據(jù)的相關性分析，采用同步實時的多通道信號采集技術，可為自動判別多余物的存在與否提供了較為豐富的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸給上位機有多種方式，USB支持主機與各種即插即用的外設之間進行數(shù)據(jù)傳輸，支持不同速率的同步和異步傳輸方式，理想的最高傳輸速率可達480 Mb／s，具有傳輸數(shù)率高和便攜等特點。USB設備應用于數(shù)據(jù)的實時采集是非常合適的，已逐漸取代各種傳統(tǒng)的設備(如RS232、PCI設備等)，在實際中應用更加方便。目前，市場上現(xiàn)有的USB數(shù)據(jù)采集卡較多，但成本較高、非同步采集和傳輸靈活性差等缺點。
    本文是在星載電子設備的多余物檢測系統(tǒng)的需求下，依據(jù)電子設備尺寸更大、重量更重、內部結構更為復雜以及多余物信號的頻率特性，設計并實現(xiàn)了采樣速率為500 k的四通道同步實時數(shù)據(jù)連續(xù)采集系統(tǒng)，采用USB傳輸方式。

1 系統(tǒng)總體設計
    本系統(tǒng)是將輸入的四路模擬信號通過前端的信號調理電路進行調理，再經(jīng)過轉換器件AD7892轉換成數(shù)字信號量，經(jīng)過外部FIFO(先進先出)CY7C4265的緩存，將采集到的數(shù)據(jù)有序且快速地傳輸至USB控制器CY7C68013，再將數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行分析和處理。當上位機發(fā)出采集數(shù)據(jù)控制命令后，經(jīng)CY7C68013分析，通知邏輯控制芯片EPM7064對A／D和外部FIFO進行初始化，并啟動A／D開始采集數(shù)據(jù)。四通道數(shù)據(jù)采集卡結構框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計
    本系統(tǒng)硬件設計主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊以及數(shù)據(jù)控制和傳輸模塊組成。
2．1 數(shù)據(jù)采集模塊
    前端的模擬信號量通過信號調理電路進行放大、濾波、整形，再經(jīng)過電壓跟隨電路將信號傳送至AD7892轉換成數(shù)字量。AD7892是一款高速、低功耗、12位轉換精度的模數(shù)轉換器件，內部集成電壓跟蹤保持器和過電壓保護電路。AD7892由外部電源系統(tǒng)提供5 V的采樣參考電壓，外部邏輯控制器件CPLD提供500 k的采樣頻率，可采集-5～+5 V的模擬量。由此得到可輸入的最小模擬電壓：1 LSB=10 V／4 096=2．44 mV。
2．2 數(shù)據(jù)緩存模塊
    系統(tǒng)為四通道連續(xù)且同步采集，每一次采集的數(shù)據(jù)量較大，而只有一個USB控制器，必須設計數(shù)據(jù)緩存模塊。數(shù)據(jù)緩存芯片采用了Cypr-ess公司的16 Kx18位的FIFO CY7C4265芯片。此芯片是一款高速、低功耗CMOS時鐘存儲器，它的讀寫端口使用同步接口，每一個端口的時鐘都是相互獨立的，這些時鐘可以是同步，也可以是異步州。這使得FIFO的讀寫端口能以不同的速度運行，其寫時鐘端口與AD7892的采樣保持同步，保證了數(shù)據(jù)的不丟失。

2．3 數(shù)據(jù)控制和傳輸模塊
    EZ—USB FX2系列芯片CY7C68013簡化結構框圖如圖2所示。該芯片支持USB2．0規(guī)范，同時向下兼容USB1．1規(guī)范的單片機。該芯片把USB2．0收發(fā)器、串行接口引擎SIE、增強的8051內核、GPIF等集成于一體，內含4 kB的FIFO(端點緩沖區(qū))，可配置為不同大小緩沖區(qū)的IN或OUT端點(EP2、EP4、EP6、EP8)，具有USB協(xié)議的4種傳輸方式，即控制方式、中斷方式、批量方式和同步傳輸方式。Cypress公司為用戶使用FX2提供了較為完善的軟件開發(fā)工具包，降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度。

    FX2可配置成3種不同的接口模式，即Ports、GPIFMaster和Slave FIFO模式。在Slave FIFO模式下，F(xiàn)IFO[1：0]引腳作為地址線選擇4個端點FIFO中的一個與FD總線連接，SLCS相當于片選信號。Slave FIFO模式又分為異步方式和同步方式的傳輸。在異步方式下，SLRD和SLWR是讀／寫選通信號；同步方式下，SLRD和SLWR作為IFCLK時鐘引腳的使能信號。Slave FIFO模式是將FX2的FIFO作為外部控制器(CPLD或MCU)的從屬FIFO，外部控制器可像對普通FIFO一樣對FX2的FIFO進行讀寫。USB在傳輸數(shù)據(jù)時不考慮包的大小，可以明顯提高效率，加快了開發(fā)的進度。本系統(tǒng)采用了Slave FIFO模式的異步方式進行數(shù)據(jù)傳輸。
    系統(tǒng)控制結構框圖如圖3所示。在數(shù)據(jù)控制和傳輸模塊中，邏輯控制器件EPM7064為模數(shù)轉換器件AD7892、CY7C4265以及EZ—USBFX2 CY7-C68013提供時序信號，通過調整、配合各芯片之間的通訊，控制四路數(shù)據(jù)采集和緩存模塊有序而快速地將數(shù)據(jù)傳輸至USB，保證各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)同步不丟失，是整個控制系統(tǒng)的核心。

3 系統(tǒng)軟件模塊設計
3．1 USB固件程序
    固件程序采用Cypress公司提供的固件程序框架，主要負責完成芯片初始化，對芯片進行配置、設備請求、數(shù)據(jù)傳輸?shù)认鄳墓ぷ?，完成特定的目的?br />     本系統(tǒng)設計的固件程序將FX2配置為Slave FIFO模式，總線寬度為16位，在4個端點中，EP2和EP4未使用，EP6和EP8配置如表1所示。由于采用自動輸入輸出模式，主機和單片機是通過旁路FX2的CPU而直接連接的，所有數(shù)據(jù)直接通過EP6或EP8管道提交，不需固件程序的干預。標志引腳(FLAGA、FLAGB)掌握FX2各端點FIFO的狀態(tài)，F(xiàn)LAGB定義為輸入端點的滿標志，當數(shù)據(jù)滿時該引腳為低電平；FLAGB定義為輸出端點EP8的空標志，當主機傳來的數(shù)據(jù)被讀空時該引腳為低電平。

    固件框架函數(shù)流程圖如圖4所示。TD_Init()函數(shù)是在設備重枚舉和任務調度啟用之前被調用，初始化用戶的全局狀態(tài)變量，規(guī)定各種端點資源的使用；TD_Poll()函數(shù)在設備工作期間被重復調用，包含一個執(zhí)行外設功能的狀態(tài)機：TD_Suspend()函數(shù)在框架進入掛起狀態(tài)之前被調用，包含使設備進入低功耗狀態(tài)的程序。

3．2 CPLD控制程序
    邏輯控制器件EPM7064為模數(shù)轉換器件AD7892、CY7C4265以及EZ—USB FX2 CY7C68013提供普通的時序信號、握手信號(滿、半滿、空標志信號)、讀寫信號和輸入輸出允許信號。A／D的采樣頻率、外部FIFO和USB內部FIFO的讀寫時鐘均由EPM7064對外部時鐘的分頻和控制產生。
CHLD在完成這些端口FIFO的操作時，采用Verilog HDL硬件描述語言實現(xiàn)了這些操作，并在ALTERA公司提供的Quartus II 8．0開發(fā)工具綜合編譯并映射到CPLD中。
    由于系統(tǒng)對USB采取了Slave FIFO模式異步方式讀寫數(shù)據(jù)，所以與訪問外部FIFO的讀寫時序類似。向FIFO寫數(shù)據(jù)的狀態(tài)設計進程如下。如圖5所示。

    a：查詢控制信號線是否有寫事件(電平變化)發(fā)生，有就轉移到狀態(tài)b，否則保持在狀態(tài)a；
    b：分配FIFOADR[1：0]=10，F(xiàn)IFO指針指向輸入端點，轉向狀態(tài)c；
    c：檢查FIFO的滿標志是否為“假”(FIFO不滿)則轉向狀態(tài)d．否則保留在狀態(tài)c；
    d：把外部數(shù)據(jù)放在FD[15：0]上，同時激活SLWR，然后轉向狀態(tài)e；
    e：假如有更多的數(shù)據(jù)要傳輸，則轉向狀態(tài)b，否則轉到狀態(tài)a。
    Slave FIFO模式的讀數(shù)據(jù)狀態(tài)設計進程類似。
3．3 驅動程序的設計和安裝
    USB設備的驅動程序是開發(fā)USB外設的關鍵。設計的目標是在設備插上后，主機能通過USB總線自動下載該固件程序到EZ—USB外設芯片中，并自動完成該固件程序，建立起主機端與設備的通訊。USB的驅動程序包括通用驅動程序和固件下載驅動程序。前一個驅動程序采用EZ—USB軟件和硬件開發(fā)包提供的ezusb．sys驅動程序，可以直接使用，后一個驅動程序需自在固件程序框架下自行編寫并在DDK的環(huán)境下編譯生成。
    所有的USB設備都至少具有一個VID和PID，VID和PID通過設備描述符表提交給Windows系統(tǒng)。同時，Windows系統(tǒng)使用INF文件將某一VID和PID綁定到某一設備驅動程序。這樣，Windows系統(tǒng)在知道了設備的VID和PID后，就通過存儲在INF文件中的信息查找該設備的驅動程。其中，INF文件是需編寫的安裝信息文件，開發(fā)人員只需修改INF文件中的VID、PID以及相應的設備描述符。
3．4 應用程序設計
    應用程序完成的主要功能有：啟動／關閉USB設備，檢測USB設備，設置A／D，數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲等。
    同步實時系統(tǒng)對多任務的要求比較普遍，在后臺采集數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)顯示的同時，還要在前臺界面對用戶的操作做出響應，使用傳統(tǒng)的單線程編程技術效率較低，無法及時處理，必須充分利用Windows的多任務處理功能，采用多線程編程技術來處理數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用Visual C++6.0作為程序的開發(fā)環(huán)境，并且充分運用了多線程的編程思想。在程序中設置3個線程：主線程負責用戶界面，它的生存周期就是整個應用程序的生存周期，用戶的動作(如鼠標事件、鍵盤事件等)都會觸發(fā)主線程的消息機制，從而完成對用戶的響應；而兩個分離的輔助線程分別負責數(shù)據(jù)的采集存儲、數(shù)據(jù)處理和顯示。

4 系統(tǒng)調試
    在系統(tǒng)調試過程中，采用Perisoft公司提供的Bus Hound調試工具，測試得到：USB的傳輸速率可達1．5．4 MB／S，如圖6所示。這與USB系統(tǒng)時鐘和外圍電路設計相關，也就保證了在采樣率為500 k下的四通道USB采集卡，可以滿足采集卡四通道同步工作。其次，采用Cypr-ess公司提供的EZ—USB Control Panel和Bus Hound調試工具軟件對采集卡采集到的數(shù)據(jù)進行控制和監(jiān)測，如圖7和圖8所示。將二者得到的數(shù)
據(jù)進行對比，從結果驗證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

    圖9為上位機軟件操作和顯示界面。函數(shù)發(fā)生器輸出2 V、100 Hz正弦波，上位機將數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)進行計算并顯示，與函數(shù)發(fā)生器輸出波形完全吻合，從而進一步驗證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。圖10為星載電子設備多余物檢測數(shù)據(jù)顯示界面。

5 結論
    針對尺寸大、重量重、內部結構較復雜的星載電子設備多余物數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設計了基于USB的四通道同步實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗結果表明，USB穩(wěn)定的傳輸速率可達15．4 MB／s，保證了采集卡各通道在500 k的采樣速率下可以同時工作，對數(shù)據(jù)進行大量且不丟失的采集和傳輸。采用多線程技術，對采集的數(shù)據(jù)進行實時處理、顯示及轉儲等。為實現(xiàn)電子設備多余物存在與否的自動判別提供了可靠的數(shù)據(jù)。