白 華， 溫美思， 張 誠， 趙軍發(fā)， 李現(xiàn)國

(天津工業(yè)大學 電子與信息工程學院 天津市光電檢測技術與系統(tǒng)重點實驗室，天津 300387)

基于以太網(wǎng)的多通道時序控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

白 華， 溫美思， 張 誠， 趙軍發(fā)， 李現(xiàn)國

(天津工業(yè)大學電子與信息工程學院天津市光電檢測技術與系統(tǒng)重點實驗室，天津300387)

針對光電檢測系統(tǒng)對時序控制的多樣化需求，設計了基于以太網(wǎng)的多通道時序控制器。采用ARM+FPGA架構設計系統(tǒng)控制核心，提高時序信號精度的同時保證了系統(tǒng)的靈活性。利用可編程控制液晶顯示器設計用戶界面，使人機交互更加方便快捷?；贚abVIEW開發(fā)系統(tǒng)上位機軟件，上位機通過串口轉以太網(wǎng)模塊與下位機通信。實驗結果表明：控制器時間精度達到1 μs，時序信號運行周期可達24 h，并具有外部觸發(fā)功能和以太網(wǎng)遠程控制功能,可應用于有毒有害等危險環(huán)境，具有很高的實用價值。

多通道時序控制器； 以太網(wǎng)； 液晶顯示器； 上位機

0 引 言

光電檢測技術在軍事設備、航空航天、生物醫(yī)藥和環(huán)境保護等方面都有廣泛的應用。光電檢測系統(tǒng)[1]由光電傳感器、信號調理器、時序控制器和輸出環(huán)節(jié)四部分組成，其中時序控制是整個系統(tǒng)能夠協(xié)調工作的關鍵。在電路設計上，通常針對不同的實驗要求設計不同的時序控制電路[2～4],通用性差，設計和調試工作量大。目前，市場上開發(fā)了一些通用型的時序控制器，但是通道數(shù)量少、時間精度低(大多在毫秒級)，并且缺少針對有毒有害危險環(huán)境的遠程控制功能。

針對以上問題，本文開發(fā)了基于以太網(wǎng)的多通道時序控制器,共有8個時序輸出通道，可以并行輸出8路時序控制信號，時間精度達到1 μs，時序周期可達24 h。可通過觸摸屏輸入各通道時間參數(shù)，操作更加方便快捷,且?guī)в型獠坑|發(fā)功能和上位機遠程控制功能[5]。該控制器自成系統(tǒng)，可作為器件應用，能提供光電檢測系統(tǒng)所需的各種時序信號，為搭建光電檢測系統(tǒng)以及相關實驗帶來方便。

1 系統(tǒng)硬件總體設計

1.1 硬件系統(tǒng)的組成

多通道時序控制器由電源、液晶顯示器、上位機和多通道時序輸出終端4部分組成。其中多通道時序輸出終端硬件設計主要包括ARM+FPGA電路、復位電路、時鐘電路、串口電路、以太網(wǎng)電路、配置電路和時序輸出電路等。硬件系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2 電源電路設計

電源電路提供工作電壓為1.2，2.5，3.3，5 V。因此，設計將電源適配器輸入的12 V電壓通過MP2359電源芯片轉化為5 V，再分別通過AMS1117—3.3,AMS1117—2.5和AMS1117—1.2穩(wěn)壓器將5 V電壓轉換為3.3，2.5，1.2 V。并通過瞬態(tài)抑制二極管為電源電路提供保護。

圖1 硬件系統(tǒng)組成

1.3 ARM+FPGA電路設計

多通道時序輸出終端設計主要采用ARM+FPGA架構[6～8]。ARM負責分析、處理用戶通過觸摸屏或者上位機輸入的時間參數(shù)，F(xiàn)PGA負責并行輸出多路時序信號和檢測外部觸發(fā)信號。ARM與FPGA之間通過數(shù)據(jù)總線相連，實現(xiàn)信息的傳遞功能。電路如圖2所示。

圖2 ARM與FPGA連接電路

ARM+FPGA電路設計選用了STM32F103ZET6型ARM芯片和EP3C16Q240C8N型FPGA芯片。STM32F103ZET6為基于ARM Cortex—M3核心的32 位微控制器，工作頻率高達72 MHz，滿足系統(tǒng)實時性要求。EP3C16Q240C8N芯片具有豐富的邏輯資源，系統(tǒng)頻率高達50 MHz，且穩(wěn)定性高，符合多通道時序控制器的設計要求。

本文，由于用戶設置時間參數(shù)最大值為24 h，最小時間單位為1 s，故ARM最多需要將8個通道的時序參數(shù)轉換為17組40位二進制數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA?；谛酒_個數(shù)限制，采用分址輸入的方法。ARM通過8位數(shù)據(jù)線(PC0～PC7)將40位二進制數(shù)分成5組8位二進制數(shù)并行發(fā)送給 FPGA，F(xiàn)PGA通過識別7位地址線(PB8～PB14)上的數(shù)據(jù)將5組8位二進制數(shù)排序組成一個40位二進制數(shù)。為實現(xiàn)ARM與FPGA同步通信，通過使能線EN控制FPGA對ARM數(shù)據(jù)的讀取，僅當使能信號EN為高電平時，F(xiàn)PGA讀取數(shù)據(jù)線與地址線上收到的數(shù)據(jù)。ARM通過啟停控制線START，STOP和RST控制輸出信號的啟動和停止，通過觸發(fā)選擇線TRIC1和TRIC2控制兩個觸發(fā)信號的選通。

1.4 液晶顯示器

液晶顯示器選用一種包含LCD顯示屏、LCD控制器、觸摸屏、人機界面處理系統(tǒng)和通信接口于一體的智能顯示模組。可以通過串口與外部控制單元連接，實現(xiàn)系統(tǒng)的人機交互界面。觸摸屏搭載了專用圖形操作系統(tǒng)GoUI，通過PC的可視化組態(tài)編輯軟件，無需專業(yè)圖形編程知識即可設計顯示界面，降低了開發(fā)難度。同時，在沒有硬件的情況下，通過PS—LCD軟件模擬器在PC上可以模擬實際界面運行效果，有效縮短了開發(fā)周期。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 ARM軟件設計

ARM程序在Keil軟件平臺下采用C語言編程設計?？梢宰詣优渲靡蕴W(wǎng)連接上位機，分析觸摸屏和上位機輸入的時間參數(shù)，將時間參數(shù)轉換為8位二進制數(shù)據(jù)分址發(fā)送至FPGA。程序流程如圖3所示。

圖3 ARM軟件流程

設計中多通道時序控制器有2種工作模式：觸摸屏單獨操作模式；基于以太網(wǎng)的上位機遠距離操作模式。系統(tǒng)上電后默認進入觸摸屏單獨操作模式，用戶進入開機界面后可以通過觸摸屏選擇是否開啟上位機遠程控制功能。當用戶開啟上位機遠程控制功能后， ARM接收到觸摸屏發(fā)送的“開啟以太網(wǎng)傳輸”命令，并調用以太網(wǎng)配置程序對以太網(wǎng)電路進行數(shù)據(jù)配置。配置成功后ARM會自動嘗試與上位機的連接，并檢測與上位機連接是否成功。若連接成功，ARM進入等待以太網(wǎng)數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)，否則，ARM自動將失敗信息反饋到觸摸屏進行顯示，并再次進行連接。

2.2 FPGA[9]軟件設計

時鐘模塊將FPGA內部的50 MHz系統(tǒng)時鐘分頻為1 MHz的單位時鐘，使時間單位變?yōu)? s，作為多通道時序控制器脈沖輸出的最小時間單位。當FPGA接收到“開始”信號后，開始接收ARM發(fā)送的時間參數(shù)。數(shù)據(jù)處理模塊將分址輸入的8位二進制數(shù)據(jù)轉換為17組40位二進制數(shù)據(jù)并存儲。同時，分析處理ARM指令中的啟動、停止信號、觸發(fā)模式選擇信號和外部觸發(fā)信號，使能比較輸出模塊。比較輸出模塊將17組40位二進制數(shù)據(jù)分配為8個通道時序信號的上升沿時間、下降沿時間、循環(huán)周期和循環(huán)次數(shù)，并開始循環(huán)計時。計時同時，比較輸出模塊將計時時間與上升沿和下降沿時間進行比較，準確無誤地按照時間參數(shù)并行輸出時序信號。程序流程如圖4所示。

圖4 FPGA程序流程

2.3 觸摸屏軟件設計

在Designer軟件平臺下采用JavaScript語言編程設計實現(xiàn)?？梢宰詣语@示、分析用戶數(shù)據(jù)并通過串口與下位機通信。觸摸屏工作流程如下：系統(tǒng)上電后默認8個通道全部禁止輸出，選擇禁止的通道會禁止數(shù)據(jù)輸入功能，參數(shù)輸入框變?yōu)榛疑?。用戶選擇啟用后，恢復參數(shù)輸入功能。用戶點擊“運行”按鈕，觸摸屏自動將所有數(shù)據(jù)處理成字符串的形式由串口發(fā)送至多通道時序輸出終端。

2.4 上位機軟件設計

上位機軟件在LabVIEW軟件平臺下采用G語言編程設計。上位機與多通道時序輸出終端之間通過以太網(wǎng)線連接，采用TCP/IP通信協(xié)議通信。

上位機軟件的以太網(wǎng)通信流程如下：上位機開始運行后，調用“打開TCP連接”節(jié)點打開TCP服務，建立與下位機的連接。無限循環(huán)使用“讀取TCP數(shù)據(jù)”節(jié)點，實時檢測由下位機發(fā)送的有效TCP數(shù)據(jù)，用于后期處理。當用戶通過上位機點擊發(fā)送按鈕后，調用“寫入TCP數(shù)據(jù)”節(jié)點，向下位機發(fā)送用戶指令。用戶選擇暫停使用上位機時，使用“關閉TCP連接”節(jié)點，斷開TCP連接。

3 實驗及結果

3.1 以太網(wǎng)通信測試

在LabVIEW軟件平臺下編寫的上位機程序可以實時顯示上位機發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。為了使測試結果更加直觀，本文使用串口助手代替觸摸屏作為多通道時序輸出終端的數(shù)據(jù)輸入端口進行通信測試。

首先采用交叉網(wǎng)線連接多通道時序控制器與上位機。在上位機設置相應參數(shù)，使用Ping指令測試網(wǎng)絡連接。確認網(wǎng)絡連接無誤后，使用串口助手發(fā)送任意字符串，上位機接收到相同的字符串，反之亦然。測試結果如圖5所示，可以看出，上位機和多通道時序輸出終端均可以準確接收彼此發(fā)送的數(shù)據(jù)。說明多通道時序輸出終端與上位機之間的以太網(wǎng)通信有效。

圖5 上位機通信有效性測試

3.2 時序輸出測試

為了檢驗多通道時序控制器的實際輸出精度和輸出穩(wěn)定性，本文將實驗分為三組進行測試，每組設置不同的時間參數(shù)、循環(huán)次數(shù)以及觸發(fā)方式等。測試輸出波形如圖6所示。圖5實驗結果顯示：多通道時序控制器輸出時序的精度可達到1 s，8個通道可以并行輸出，且時序波形輸出準確無誤，可實現(xiàn)無限循環(huán)和1～100次可選循環(huán)，具有外部觸發(fā)功能，觸發(fā)響應延遲時間小于1 s。

圖6 不同時間參數(shù)設置及輸出波形

4 結 論

研制了一種基于以太網(wǎng)的多通道時序控制器。采用ARM+FPGA架構設計系統(tǒng)控制核心，實現(xiàn)多通道時序控制器的數(shù)據(jù)處理和時序輸出功能。采用PS—LCD設計控制界面，實現(xiàn)系統(tǒng)人機交互功能?；贚abVIEW開發(fā)上位機軟件，利用TCP/IP通信協(xié)議實現(xiàn)上位機與下位機的以太網(wǎng)通信，具有遠程控制功能。與傳統(tǒng)時序控制器相比，該控制器具有輸出信號時序靈活可調、時間精度高、時間范圍廣、通道數(shù)量多、觸發(fā)響應速度快、能夠遠程控制等優(yōu)點，能夠提供光電檢測系統(tǒng)所需的各種時序信號，從而給光電檢測相關的實驗工作帶來方便?？刂破骺蓱糜谟卸居泻Φ任ｋU環(huán)境中，具有很高實用價值。

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Designandimplementationofmulti-channeltimingcontrolsystembasedonEthernet*

BAI Hua, WEN Mei-si, ZHANG Cheng, ZHAO Jun-fa, LI Xian-guo

(TianjinKeyLaboratoryofOptoelectronicDetectionTechnologyandSystem,SchoolofElectronicsandInformationEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

A multi-channel timing controller is designed to meet diverse needs of photoelectric detection systems for timing control.ARM and FPGA frame are used to design control core,which is beneficial to improve timing precision and at the same time assure flexibility of the system.A programmable smart LCD is used to design the user interface,making the human-system interactions more convenient and efficient.In addition,upper PC software can be used to communicate with the controller through a serial to Ethernet module,and the PC software is developed based on LabVIEW.Experimental results show that the controller has a good performance in timing precision of 1 μs,long operating cycle of 24 h,response to external triggers,and remote control based on Ethernet.Thus,the controller has a high application value,especially in the poisonous and harmful environments.

multi-channel timing controller; Ethernet; LCD; upper PC

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0083—03

TP 786

A

1000—9787(2017)11—0083—03

2016—10—08

國家自然科學基金資助項目(61201106，61307094)； 天津市應用基礎與前沿技術研究計劃項目(14JCQNJC01800)

白 華(1980-)，男，通訊作者,博士，副教授，從事光電檢測技術與信息系統(tǒng)的研究工作，E—mail:baihua2000@hotmail.com。

溫美思(1992-)，女，蒙族，碩士研究生，主要研究方向為光電檢測技術與信息系統(tǒng)，E—mail:806227787@qq.com。