王玉全，杜紅棉，楊　帆

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原30051）

?

沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)U盤讀數(shù)盒設(shè)計(jì)

王玉全，杜紅棉*，楊帆

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原30051）

摘要：針對(duì)野外環(huán)境進(jìn)行的沖擊波測(cè)試讀數(shù)和擦除操作繁瑣的情況，為了提高沖擊波超壓測(cè)試的效率，提出自帶電源、帶有擦除功能的U盤讀數(shù)盒的設(shè)計(jì)。該讀數(shù)盒通過USB控制芯片CY7C68013的GPIF接口與測(cè)試裝置通信并向測(cè)試裝置發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)，將Flash中的數(shù)據(jù)暫時(shí)讀入到其內(nèi)部FIFO中。然后通過68013內(nèi)部增強(qiáng)型8051單片機(jī)控制U盤文件管理芯片CH376S將數(shù)據(jù)存入到U盤中，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試裝置的U盤讀數(shù)。通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該讀數(shù)盒可以簡化野外沖擊波測(cè)試繁瑣的操作，提高沖擊波測(cè)試的效率。

關(guān)鍵詞：沖擊波超壓測(cè)試；CY7C68013；U盤讀數(shù)；CH376S；固件

近年來，隨著我國軍事的快速發(fā)展，對(duì)各彈種毀傷威力的測(cè)試需求越來越大。作為評(píng)價(jià)彈藥毀傷效果的重要參數(shù)，沖擊波超壓測(cè)試技術(shù)變得尤為重要，現(xiàn)今已開發(fā)出無線存儲(chǔ)式超壓測(cè)試系統(tǒng)，使沖擊波超壓測(cè)試得到極大的簡化。但是由于測(cè)試之后需要使用PC機(jī)對(duì)測(cè)試裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，給操作帶來了很大的不便。所以本文介紹一種無需PC機(jī)的讀數(shù)盒的設(shè)計(jì)，此讀數(shù)盒還具有擦除功能，使沖擊波超壓測(cè)試更加方便。

1　總體結(jié)構(gòu)及工作流程

U盤讀數(shù)擦除盒（以下簡稱讀書盒）是在USB控制芯片CY7C68013和U盤文件管理芯片CH376S的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，總體框圖如圖1所示。

圖1中的基本組成為主控模塊、文件管理模塊和按鍵中斷，68013作為主芯片按固件程序完成U盤讀數(shù)和擦除操作。讀數(shù)操作由按鍵中斷給USB芯片發(fā)送讀數(shù)指令，USB再通過波形描述符輸出控制信號(hào)將數(shù)據(jù)從測(cè)試裝置中讀出到68013的FIFO中，再通過68013的增強(qiáng)型單片機(jī)控制U盤文件管理芯片CH376S完成數(shù)據(jù)的存盤；進(jìn)行擦除操作時(shí)

圖1　U盤讀數(shù)盒總體框圖

（National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

USB芯片從外部按鍵中斷獲得擦除指令，同樣通過波形描述符輸出控制信號(hào)來完成對(duì)測(cè)試裝置閃存的擦除操作。

2　CY7C68013的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

68013單芯片集成USB2.0收發(fā)器、智能串行接口引擎（SIE）和增強(qiáng)型8051微處理器。具有4個(gè)可編程的BULK/INTERRUPT/ISOC—HRONOUS端點(diǎn)，端點(diǎn)緩沖區(qū)的大小可選擇兩倍、三倍、四倍，可完成數(shù)據(jù)和指令的傳輸［1］。同時(shí)具有通用可編程接口（GPIF），該接口可與大多數(shù)的并行接口直接相連，由可編程的波形描述符和配置寄存器定義波形，支持多個(gè)READY輸入和CONTROL輸出。68013的內(nèi)部邏輯方框圖如圖2［1］所示。

圖2　68013邏輯方框圖

3　文件管理芯片CH376S簡介

CH376S是文件管理控制芯片，用于單片機(jī)系統(tǒng)讀寫U盤或者SD卡中的文件。CH376S支持USB設(shè)備方式和USB主機(jī)方式，并且內(nèi)置了USB通訊協(xié)議的基本固件，內(nèi)置了處理Mass-Storage海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，內(nèi)置了SD卡的通訊接口固件，內(nèi)置了FAT16和FAT32以及FAT12文件系統(tǒng)的管理固件，支持常用的USB存儲(chǔ)設(shè)備（包括U盤/USB硬盤/USB閃存盤/USB讀卡器）和SD卡（包括標(biāo)準(zhǔn)容量SD卡和高容量HC-SD卡以及協(xié)議兼容的MMC卡和TF卡）。CH376支持3種通訊接口：8 bit并口、SPI接口或者異步串口，單片機(jī)/DSP/MCU/MPU等控制器可以通過上述任何一種通訊接口控制CH376芯片，存取U盤或者SD卡中的文件或者與計(jì)算機(jī)通訊。

4　讀數(shù)盒的硬件設(shè)計(jì)

讀書盒的控制芯片使用的是滿足USB2.0要求的68013（128P）以及包含海量存儲(chǔ)設(shè)備通信協(xié)議的文件管理芯片CH376S，測(cè)試系統(tǒng)與讀數(shù)盒之間通過4個(gè)CTL信號(hào)、一個(gè)RDY信號(hào)和八位數(shù)據(jù)線相連。當(dāng)執(zhí)行U盤讀數(shù)操作時(shí)，使用68013中的4 kbyte的FIFO存儲(chǔ)從Flash讀出的數(shù)據(jù)，當(dāng)4 kbyte的FIFO存到半滿狀態(tài)表示對(duì)Flash一頁數(shù)據(jù)的讀取已經(jīng)完成，此時(shí)將這一頁數(shù)據(jù)由68013的8 bit并口經(jīng)CH376S存入U(xiǎn)盤中，主要電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。測(cè)試裝置的八位數(shù)據(jù)線接在68013的PB端口上，JCLK、JRE、READ和ERE接在68013的CTL0～CTL3引腳，讀數(shù)結(jié)束標(biāo)志信號(hào)RDY0與68013的狀態(tài)輸入引腳RDY0相連。除此之外，68013通過I2C接口外接一個(gè)64 kbyte字的E2PROM 24LC64來存放固件程序。而對(duì)24LC64的地址線要求設(shè)置成A0=1；A1=A2=0；確保能夠進(jìn)行I2C接口引導(dǎo)加載訪問。

5　68013固件功能分析

一個(gè)USB的固件程序通過keil打開后一般我們可以看到幾個(gè)文件分別為：fw.c文件、intrins.h文件、fx2sdly.h文件、dscr.a51文件、fx2regs.h文件、fx2.h文件、gpif.c文件以及periph.c文件。fw.c文件是固件的根本，USB通信協(xié)議方面的代碼都在這里完成。fx2sdly.h文件為同步延時(shí)。dscr.a51文件是USB描述符文件，包括了設(shè)備描述符，接口描述符，端點(diǎn)描述符，字符串等等。fx2regs.h文件是68013的寄存器地址定義。fx2.h文件中是一些預(yù)定義，宏及函數(shù)聲明。以上的這些文件一般不需要用戶進(jìn)行太多改寫，使用Cypress提供的代碼即可。gpif.c文件一般由Cypress公司的GPIF工具編寫生成的包含GPIF波形描述符的文件。periph.c文件是用戶自己的代碼書寫文件，其中有3個(gè)常用的函數(shù)：void TD_Init（void）函數(shù)只會(huì)在USB啟動(dòng)后調(diào)用一次，在這個(gè)函數(shù)里書寫用戶自己的初始化代碼；void TD_Poll（void）函數(shù)是用戶調(diào)度程序，USB會(huì)在空閑的時(shí)候反復(fù)調(diào)用該函數(shù)，所以用戶把自己需要反復(fù)執(zhí)行的代碼放在這里；BOOL DR_VendorCmnd （void）函數(shù)是自定義命令代碼的書寫處，用戶的Vendor命令都會(huì)寫在這里，fw.c固件會(huì)自動(dòng)調(diào)用這些代碼。這些就是Cypress USB固件的架構(gòu)。

5.1gpif.c文件編寫

這里使用Cypress GPIF Designer來編寫生成gpif.c文件。圖3為使用GPIF Designer進(jìn)行波形描述符編寫的情況。

圖3　GPIF波形描述符

圖3中Status一行的兩個(gè)點(diǎn)是判決點(diǎn)所在的位置，在該處對(duì)RDY0信號(hào)進(jìn)行判斷，RDY0是讀數(shù)和擦除完成由測(cè)試系統(tǒng)返回的狀態(tài)信號(hào)。當(dāng)RDY0=1時(shí)表示擦除或讀數(shù)完成描述符跳轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)；如果RDY0＝0，跳回擦除或讀數(shù)所在的狀態(tài)繼續(xù)之前的操作。LenBr對(duì)判決點(diǎn)來說表示邏輯函數(shù)要跳轉(zhuǎn)到的狀態(tài)，對(duì)非判決點(diǎn)來說表示在該狀態(tài)停留的IFCLK周期數(shù)。Opcode定義了一些特征狀態(tài)，Output定義了進(jìn)入該狀態(tài)后GPIF的6個(gè)控制信號(hào)的狀態(tài)。LFun用于判決點(diǎn)的波形描述符，它指定了一個(gè)邏輯函數(shù)和這個(gè)邏輯函數(shù)的輸入信號(hào)，其結(jié)果決定著跳轉(zhuǎn)的方式，跳轉(zhuǎn)方式在LenBr中已指定［2］。

5.2periph.c文件編寫

上文提到periph.c文件是用戶自己的代碼書寫文件。void TD_Init（void）函數(shù)是一些端點(diǎn)和寄存器的的初始化函數(shù)，這里不做過多介紹。void TD_Poll （void）函數(shù)是在IDLE狀態(tài)被重復(fù)調(diào)用的函數(shù)，所以功能性的代碼都在該函數(shù)中編寫的［3］。讀數(shù)盒的兩個(gè)功能，即讀數(shù)和擦除的程序就在該函數(shù)下完成。完成讀數(shù)和擦除的流程圖如圖4所示。

讀數(shù)開始前插入U(xiǎn)盤，CH376S檢測(cè)到U盤則對(duì)其初始化并創(chuàng)建一個(gè)文件等待數(shù)據(jù)存入。當(dāng)讀數(shù)中斷到來時(shí)執(zhí)行讀數(shù)程序，每次讀完2 kbyte的數(shù)據(jù)即存入到U盤中，直到全部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成等待設(shè)備移除。當(dāng)擦除中斷到來時(shí)執(zhí)行擦除程序。程序中GPIFWFSE?LECT是用來選擇執(zhí)行的GPIF波形文件，波形文件在上一節(jié)中已經(jīng)進(jìn)行了介紹，4個(gè)波形描述符只對(duì)FIFO讀和FIFO寫進(jìn)行了編寫是因?yàn)檫@里只用到2個(gè)。讀數(shù)采用的是高速模式，通過端點(diǎn)2進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4　程序流程圖

6　測(cè)試數(shù)據(jù)讀取及分析

沖擊波測(cè)試完成之后，通過讀數(shù)盒將數(shù)據(jù)讀到U盤中存儲(chǔ)成dat文件，圖5給出通過Matlab軟件顯示的50 kg當(dāng)量TNT靜爆在5 m處的數(shù)據(jù)。

從讀數(shù)擦除盒讀取的數(shù)據(jù)波形可以看到?jīng)_擊波的上升時(shí)間很短，幾乎是垂直于X軸的，同時(shí)衰減呈負(fù)指數(shù)形式，符合經(jīng)典沖擊波的波形，并且沒有發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)位或丟點(diǎn)的情況，由此可以看出該讀數(shù)擦除盒能夠不失真地將沖擊波數(shù)據(jù)讀出。

圖5　某試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

表1　50 kg TNT當(dāng)量實(shí)爆5 m處沖擊波超壓值統(tǒng)計(jì)表

從上述2個(gè)波形后面的沖擊波波形可以看出該讀數(shù)盒可以很好的將測(cè)試裝置采集到的信號(hào)保存到U盤中，并且可以通過軟件讀出，而且實(shí)際讀出數(shù)據(jù)與估算值的誤差為5.4%，這對(duì)于沖擊波超壓測(cè)試來說完全可以接受。

7　總結(jié)

本文針對(duì)沖擊波超壓測(cè)試環(huán)境下傳統(tǒng)讀數(shù)盒讀數(shù)操作繁瑣的情況，提出了U盤讀數(shù)和的設(shè)計(jì)方案。文章介紹了讀數(shù)盒硬件連接、68013中2部分程序的編寫以及對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析。通過多次試驗(yàn)，驗(yàn)證了該讀數(shù)盒體積小、自帶電源、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足沖擊波測(cè)試環(huán)境中對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行快速擦除的要求，簡化了沖擊波測(cè)試需要使用PC對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行讀數(shù)和擦除的過程，提高了野外沖擊波超壓測(cè)試的效率。

參考文獻(xiàn)：

［1］Cypress Semiconductor Corporation. EZ-USB FX2 Technical Ref? erence Manual Version 2.1. USA，2002.

［2］周云峰. FX2的波形描述符設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005，21（2）：158-159.

［3］錢峰. EZ-USB FX2單片機(jī)原理、編程及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：50-61.

［4］林剛勇. CY7C68013在數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（10-2）：76-78.

［5］曹學(xué)友.空中沖擊波測(cè)試誤差研究［D］. 2014.

［6］U盤和SD卡文件管理控制芯片CH376手冊(cè).

［7］王紅凱.基于CY7C68013A的USB接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2008，31（1）：77-79.

［8］李萍. USB芯片CH376在智能儀器儀表中的應(yīng)用［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2011（2）：9-14.

［9］張海宏,張志敏. USB2.0在SAR測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.電子器件，2007，30（5）：1641-1644.

［10］李俊萍.基于CY68013的存儲(chǔ)測(cè)試臺(tái)的USB通信設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2014，37（2）：361-366.

［11］匡勝元，楊浩，卞玉萍. USB2.0在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電子器件，2007，30（2）：543-545.

［12］嚴(yán)石.基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2008，31（6）：1919-1962.

王玉全（1990-），男，漢族，遼寧營口人，中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，碩士研究生，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試，992739952@qq.com；

杜紅棉（1977-），女，漢族，遼寧錦州人，副教授。研究方向?yàn)楸_擊波超壓測(cè)試技術(shù)及信號(hào)處理。

Design and Implementation of a General Zero-IF RF Front-End

ZUO Panpan，SAI Jingbo*
（College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing university of Technology，Beijing 100124，China）

Abstract：In allusion to that traditional RF front-end for superheterodyne architecture is bulky，complex，difficult to implement and costly and requires high image rejection performance and other shortcomings，a general RF front-end with Zero-IF structure at a working frequency in 800 MHz~2 400 MHz was designed. This RF front-end bases on a high performance demodulator including a wide band low noise amplifier，programmable RF AGC circuit，electrical tuned pre-selection filter etc，and therefore achieves the design criteria with a sensitivity better than -100 dBm/5 MHz，and a dynamical range larger than 100 dB.

Key words：RF front-end；zero-IF；LNA；AGC；IQ demodulation

doi：EEACC：122010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.027

收稿日期：2015-03-23修改日期：2015-05-15

中圖分類號(hào)：TN402

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490（2016）01-0128-04