基于CPCI总线的抗恶劣环境数据采集及处理技术

论文摘要

数据采集与处理技术是计算机应用的一个重要分支,主要研究数据的采集、存贮和处理。传统的数据采样测控装置大部分是基于ISA总线的,由于硬件资源与速度的限制,不论是采样精度还是应用范围都受到很大的制约。于是,本论文引入了这种基于计算机高速总线,利用现场可编程器件进行逻辑控制的高速、高精度、高灵活的数据采集及处理技术。同时为适应军用设备的设计要求,我们还引入了抗恶劣环境的设计技术。为高性能数据采集及处理模块的设计提供了一种很好的解决方案。CPCI总线是一种高速、高可靠性、高开放性的新一代计算机总线。CPCI局部总线的引入,打破了数据传输的瓶颈,其以优异的性能成为微机总线的主流,并且在工程各个领域中得到了广泛应用,是极具竞争力的一种总线标准。但由于CPCI总线协议十分复杂,直接为它设计相匹配的数字逻辑控制电路难度很大。目前用来实现CPCI接口的有效方案主要有两种:采用可编程逻辑器件CPLD或FPGA和采用专用接口芯片。FPGA即现场可编程门阵列,其主要特点就是通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。FPGA技术的发展弥补了分立元件在布局空间及调试修改等方面的不足,利用在线编程技术、硬件描述语言,实现对FPGA芯片的反复设计改进,让硬件电路设计真正具备高灵活性、高集成度的特点。作为某海军舰载项目的一部分,本设计必须符合军用设备的使用要求,所以我们在设计上采用了抗恶劣环境的设计技术。从电路设计、PCB设计到结构设计,在整个模块的设计过程中,我们对抗高低温、振动、EMI、湿热等恶劣环境要素都进行了设计考虑,并经过实际测试达到设计要求。本论文完成了专用接口芯片PCI9052实现可编程数据采集及处理的电路设计,并成功完成PCB生产。通过VHDL程序设计、改进,完成对FPGA芯片的编程,最终经过了驱动程序和测试程序的验证。本论文主要从硬件电路和软件开发两部分进行设计。其中,硬件电路设计主要包括CPCI总线设计、FPGA芯片控制设计、FIFO存储设计、数据转换设计;软件开发设计主要包括FPGA时序控制设计、硬件驱动代码设计、测试软件应用设计。

论文目录

摘要

Abstract

引言

1.1 选题背景及意义

1.2 数据采集技术简介

1.3 抗恶劣环境技术简介

1.4 论文组织结构

第一章 CPCI总线

1.1 简介

1.2 特点

1.3 系统架构

1.4 信号定义

1.5 配置空间

1.6 命令

1.7 操作特点

1.8 电气特性

1.9 接口实现

1.10 小结

第二章数据采集硬件设计

2.1 功能组成

2.2 控制原理

2.3 CPCI总线转换实现

2.3.1 PCI9052特点

2.3.2 PCI9052功能实现

2.4 FPGA电路设计

2.4.1 FPGA基本结构

2.4.2 FPGA编程技术

2.4.3 FPGA硬件设计

2.5 多路开关电路设计

2.5.1 芯片选型

2.5.2 硬件设计

2.5.3 逻辑控制

2.6 运算放大电路设计

2.6.1 芯片选型

2.6.2 硬件设计

2.6.3 原理分析

2.6.4 功能实现

2.7 输出保护电路设计

2.7.1 芯片选型

2.7.2 硬件设计

2.8 AD转换电路设计

2.8.1 芯片选型

2.8.2 硬件设计

2.8.3 时序控制

2.9 FIFO存取电路设计

2.9.1 芯片选型

2.9.2 工作原理

2.9.3 硬件设计

2.9.4 逻辑控制

2.10 总结

第三章数据采集功能实现

3.1 可编程逻辑设计

3.1.1 VHDL语言

3.1.2 设计流程

3.1.3 开发工具

3.1.4 在线编程技术

3.2 逻辑控制实现

3.2.1 寄存器分配

3.2.2 数据选择控制

3.2.3 数据转换控制

3.2.4 数据存储控制

3.3 软件设计实现

3.3.1 VxWorks系统

3.3.2 驱动程序

3.3.3 应用程序

3.4 调试总结

第四章抗恶劣环境设计实现

4.1 抗恶劣环境概述

4.2 板卡电路设计

4.2.1 环境对电路的影响

4.2.2 电路设计技术

4.3 高温热设计

4.4 抗冲击和振动设计

4.5 防护设计

4.6 板卡PCB设计

4.6.1 PCB布局

4.6.2 电源/地线处理

4.6.3 数模共地处理

4.6.4 导体连接腿处理

4.6.5 3W规则

4.6.6 20H规则

4.7 总结

第五章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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