宿文玲， 于海宏

（1.黑龍江財(cái)經(jīng)學(xué)院，哈爾濱150025;2.哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司，哈爾濱150040）

0 引言

高精度齒輪測(cè)量中心是一種精密型齒輪及齒輪相關(guān)工件的專(zhuān)用測(cè)量?jī)x器，為保證較高的測(cè)量精度，儀器都會(huì)配置有高分辨率光柵尺和高精度電感測(cè)頭，因此這就要求齒輪測(cè)量中心的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部必須具有一個(gè)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)采集器件，用于光柵信號(hào)與電感測(cè)頭信號(hào)的采集處理，并能夠把處理后的信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，通常這類(lèi)采集器件都是以板卡的形式存在，與計(jì)算機(jī)的通訊接口大多采用PCI接口和USB接口。雖然這兩種接口應(yīng)用的比較廣泛，歷史也比較悠久，但仍然存在一些缺點(diǎn)。例如計(jì)算機(jī)的PCI接口易造成接觸不良的情況，且驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)難度較大，而USB接口容易因供電不足導(dǎo)致工作異常。針對(duì)以上問(wèn)題，我們?cè)趯?shí)際產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，決定開(kāi)發(fā)一款網(wǎng)絡(luò)型綜合信號(hào)采集卡，應(yīng)用網(wǎng)口通訊將杜絕以上兩種接口的弊端，同時(shí)傳輸速度與應(yīng)用前景也有著明顯優(yōu)勢(shì)，下面就概括介紹一下這款板卡的設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 總體方案設(shè)計(jì)

在綜合考慮齒輪測(cè)量中心及其它測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用需求后，編制項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，確定本次設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)型綜合信號(hào)采集卡應(yīng)具有如下特點(diǎn)：1）采集卡采用網(wǎng)路接口與計(jì)算機(jī)通訊，可將經(jīng)過(guò)采集、運(yùn)算的信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，也可接收來(lái)自上位計(jì)算機(jī)的各種指令信號(hào)，運(yùn)行過(guò)程中信號(hào)傳輸要穩(wěn)定、可靠，不能數(shù)據(jù)丟失或傳輸中斷。2）本采集卡是一塊多路綜合信號(hào)采集卡，為能夠更廣泛滿足多型號(hào)齒輪測(cè)量中心和其它類(lèi)似測(cè)量?jī)x器的使用要求，采集卡應(yīng)能夠同時(shí)采集8路光柵數(shù)字信號(hào)與3路電感測(cè)頭模擬信號(hào)。3）綜合信號(hào)采集卡可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)算功能，例如：實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位計(jì)數(shù)器；實(shí)現(xiàn)等間距數(shù)據(jù)采集或等時(shí)間數(shù)據(jù)采集；實(shí)現(xiàn)單個(gè)計(jì)數(shù)器單獨(dú)清零、計(jì)數(shù)器整體清零、通過(guò)光柵零位信號(hào)單獨(dú)清零或整體清零；以及實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和批量數(shù)據(jù)采集。4）在滿足基本功能的前提下，綜合信號(hào)采集卡的電路設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔，具有一定靈活性。因此核心信號(hào)處理電路將采用FPGA可編程門(mén)電路芯片完成，這使得板卡的主要數(shù)字信號(hào)處理和運(yùn)算功能將通過(guò)軟件編程的形式實(shí)現(xiàn)，使采集卡功能一定程度上擺脫了硬件的限制，具備很高的靈活性。5）板卡設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮可調(diào)試性和抗干擾能力。

2 采集卡的具體設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案所要達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本次設(shè)計(jì)的綜合信號(hào)采集卡按照所需實(shí)現(xiàn)的功能，我們可將其原理圖按照功能分為如下幾個(gè)模塊：光柵信號(hào)接口模塊、電感測(cè)頭接口模塊、FPGA芯片主信號(hào)處理模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊以及電源模塊，按照這樣的設(shè)計(jì)思路，逐個(gè)模塊地完成整套設(shè)計(jì)。因此從這幾個(gè)功能模塊入手，參照以往的設(shè)計(jì)項(xiàng)目案例，開(kāi)始綜合信號(hào)采集卡的具體設(shè)計(jì)。

2.1 信號(hào)接口設(shè)計(jì)

依據(jù)采集卡的整體設(shè)計(jì)方案，此次設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)型綜合信號(hào)采集卡的信號(hào)接口有三大類(lèi)：1）兩類(lèi)輸入信號(hào)接口，分別用于接收光柵信號(hào)和電感測(cè)頭信號(hào)；2）采集信號(hào)經(jīng)FPGA芯片處理后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口輸出給上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行最終運(yùn)算。光柵信號(hào)的接收以往設(shè)計(jì)中已有很多成熟案例，只需將光柵信號(hào)用專(zhuān)用差分接收芯片MC3486接收轉(zhuǎn)換；電感測(cè)頭信號(hào)是模擬信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7684處理；兩路輸入信號(hào)進(jìn)行接收、轉(zhuǎn)換后共同送入FPGA芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理。信號(hào)經(jīng)運(yùn)算、合成、變換后將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口輸出給上位計(jì)算機(jī)。在本設(shè)計(jì)中采用網(wǎng)口接口芯片W5100、網(wǎng)絡(luò)傳輸控制芯片LPC2148和網(wǎng)絡(luò)控制存儲(chǔ)芯片AT24C02組成一套完整的網(wǎng)絡(luò)傳輸接口，在批量數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)據(jù)格式采用幀結(jié)構(gòu)，一幀中包含2048個(gè)8位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)滿后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口芯片中斷上位計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)收到中斷后開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)處理芯片上的數(shù)據(jù)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)型光柵計(jì)數(shù)器上面的存儲(chǔ)、傳輸方式采用交替存儲(chǔ)、傳輸模式，以保證數(shù)據(jù)不會(huì)在采集與存儲(chǔ)中丟失。

2.2 FPGA芯片選型及相關(guān)設(shè)計(jì)

接收光柵信號(hào)與電感測(cè)頭信號(hào)的運(yùn)算處理，以及信號(hào)經(jīng)處理后通過(guò)網(wǎng)口接口向上位計(jì)算機(jī)的傳輸控制都需要FPGA芯片來(lái)完成，由此可見(jiàn)FPGA芯片是本次設(shè)計(jì)采集卡的數(shù)據(jù)處理與控制核心，也是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。在芯片的選擇上我們直接選擇了常用的Altera公司CycloneⅡ系列產(chǎn)品EP2C20Q240型FPGA芯片，這款產(chǎn)品技術(shù)資料與案例例程豐富，可以很快上手設(shè)計(jì)。原理圖設(shè)計(jì)工程中，我們通過(guò)Quartus軟件給FPGA芯片分配管腳定義,分配時(shí)要充分考慮到后期PCB板布線的合理性，將相同功能的管腳定義到芯片同側(cè)。因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)的是一款綜合信號(hào)采集卡，F(xiàn)PGA芯片所承擔(dān)的處理運(yùn)算功能較多，而且在實(shí)際應(yīng)用階段還可能根據(jù)應(yīng)用要求的不同進(jìn)行功能調(diào)整，所以若想把FPGA內(nèi)部程序設(shè)計(jì)成一套整合的代碼程序，開(kāi)發(fā)難度很大而且程序移植性也不高。為了規(guī)避這樣的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，我們將各個(gè)功能用編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)完后封裝成獨(dú)立的圖形模塊，再結(jié)合設(shè)計(jì)軟件自帶的常規(guī)圖形模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，這樣FPGA內(nèi)部的整套程序都將是圖型化的形式，這種混合的設(shè)計(jì)方法大大增強(qiáng)了程序的可讀性、可移植性，也降低了開(kāi)發(fā)難度。

2.3 采集卡電源模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)所選電氣元件的應(yīng)用情況，通過(guò)查詢芯片手冊(cè)可以知道保證采集卡上各種芯片的工作只需要提供+5 V和+3.3 V兩種電源信號(hào)，其中+5 V電源在數(shù)控系統(tǒng)中是常用電源，因此采集卡的+5 V電源我們可以設(shè)計(jì)成從數(shù)控系統(tǒng)中取得，而+3.3 V電源可以通過(guò)電源轉(zhuǎn)換芯片TPS75733將+5 V轉(zhuǎn)換得到。為保證采集卡的穩(wěn)定工作，穩(wěn)定的電源是基礎(chǔ)，因此在設(shè)計(jì)板卡電源模塊時(shí)，應(yīng)合理地安置濾波電容、濾波電感，避免外部電源波動(dòng)對(duì)板卡的干擾。同時(shí)，電源保險(xiǎn)絲與電源指示的燈的布置也是必不可少的，這些小的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)可以顯著提高板卡的安全性與易用性。

2.4 采集卡PCB板圖設(shè)計(jì)

在完成全部原理圖設(shè)計(jì)后，需要將原理圖借助設(shè)計(jì)軟件繪制成可供生產(chǎn)使用的PCB板圖，在本次設(shè)計(jì)工程中我們遵循以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，比如按照信號(hào)走向布局元器件位置；有信號(hào)連接關(guān)系的芯片擺放距離盡量較近，減少走線長(zhǎng)度；電源線與地線應(yīng)適當(dāng)加粗；關(guān)鍵信號(hào)電應(yīng)預(yù)留檢測(cè)點(diǎn)，以方便板卡的調(diào)試；板卡正反面雙面覆銅提高抗干擾性等。除了以上PCB設(shè)計(jì)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)外，為了盡量減少采集卡的體積，電阻電容電氣元件我們都采用0603小尺寸貼片封裝形式；同時(shí)為了進(jìn)一步提高板卡的抗干擾性及穩(wěn)定性，我們采用了4層PCB板的結(jié)構(gòu)，將電源與地獨(dú)立布局到一層，這樣的設(shè)計(jì)也增強(qiáng)了板卡的力學(xué)強(qiáng)度。

3 樣卡的試制與調(diào)試

樣試板卡的PCB板生產(chǎn)完成后，按照板卡裝配圖（見(jiàn)圖1）逐一焊接電氣元件，焊接過(guò)程中將封裝不合理、焊接空間不夠等問(wèn)題記錄清楚，以便后續(xù)對(duì)PCB板進(jìn)行完善設(shè)計(jì)，全部元件裝配完成后，先嘗試接通電源，確認(rèn)電源指示燈正常，無(wú)短路或異常發(fā)熱情況后，連接光柵信號(hào)、電感信號(hào)及網(wǎng)絡(luò)通訊，開(kāi)始逐項(xiàng)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)通訊及光柵和電感信號(hào)采集過(guò)程。經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試與修改，樣試板卡終于實(shí)現(xiàn)了所有設(shè)計(jì)功能。隨后，將這套新設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)型綜合信號(hào)采集卡，應(yīng)用到了L型齒輪測(cè)量中心的數(shù)控系統(tǒng)中，試驗(yàn)樣卡很好地實(shí)現(xiàn)了測(cè)量中心數(shù)控系統(tǒng)所需的所有功能需求。后續(xù)試驗(yàn)中，為了驗(yàn)證板卡的穩(wěn)定性，我們還針對(duì)樣試的采集卡進(jìn)行了24 h不間斷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，經(jīng)3 d的不間斷試用，證明本次設(shè)計(jì)的板卡是穩(wěn)定可靠的，可以滿足測(cè)量?jī)x器對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用要求。

圖1 板卡裝配圖

4 結(jié)語(yǔ)

這套網(wǎng)絡(luò)型綜合信號(hào)采集卡的設(shè)計(jì),不同于傳統(tǒng)采集卡,應(yīng)用起來(lái)更加靈活方便,可避免以往采集卡的應(yīng)用弊端,也使將來(lái)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)綜合數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)成為可能,因此這種網(wǎng)絡(luò)型綜合信號(hào)采集卡的研發(fā)具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,同時(shí)對(duì)于其它網(wǎng)絡(luò)型功能板卡的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

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