CN105629828A - 多协议隔离型数字信号激励源 - Google Patents

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Abstract

多协议隔离型数字信号激励源，属于嵌入式测量技术领域。控制信号及数据信号经输入接口连接至各路总线信号收发器(RS232(103)、RS422(104)、RS485(105)、CAN总线收发器(106)、ARINC－429总线收发器(108))，CAN总线收发器(106)将信号输出至CAN总线驱动器(107)，ARINC－429总线收发器(108)将信号经信号隔离电路(110)输出至ARINC－429总线驱动器(109)，RS232(103)、RS422(104)、RS485(105)总线信号收发器及CAN总线驱动器(107)、ARINC－429总线驱动器(109)的输出端经电平转换电路(112)连接至FPGA(111)，FPGA(111)内部有数据处理电路和嵌入式的软内核处理器，该处理器控制将数据缓存之SDRAM，数据从SDRAM经过RS485收发电路(105)传送至主机终端(113)；所述的内核处理器是nios处理器。本发明中信号参数可程控，各路信号之间相互电气隔离，提高了数据传输的稳定性。

Description

多协议隔离型数字信号激励源
技术领域：
本发明基于FPGA和RS485网络技术以及数字信号隔离技术，实现了对数字信号的隔离、噪声和干扰信号消除，由PC机设置发送数据、信号波特率并将所产生的数据快速稳定的加载到被测模块的功能，属于嵌入式测量技术领域，实现最多可同时产生18路不同总线类型的、隔离型的总线数字信号激励源装置。适用于航空航天等要求信号具有高可靠性领域的测试场合。
背景技术：
数字激励源是一种为待测设备提供数字信号，并将反馈信号送到上位机进行分析、处理的设备。高性能的数字信号源具有造价昂贵、灵活性差的特性，使其适用范围收到限制。数字信号源设备在我国研制生产的种类繁多，但与实际需求相比相差很多。在电磁环境复杂的测试现场，多路信号间容易产生干扰，造成试验结果的偏差。本发明设计的多协议隔离型数字信号激励源可产生多种目前被广泛应用的总线信号，以满足试验现场对多种总线信号的需求，并且结合多种抗干扰方法使各总线、各路信号间相互电气隔离，为航空航天领域的试验提供了具有高可靠性的数字信号。
发明内容：
针对目前在航天领域存在的数字信号源信号种类集成度低、通用性和抗干扰性差等缺点，对精确度、信号可靠性具有较高要求的特点，本发明提出了一种隔离型的多协议数字信号激励源实现方法，以解决弹载模块试验现场对可靠性高、误码率低的集成多种总线信号的数字信号源的需求问题。由于本发明将应用于航空航天等高精度领域的试验现场，为了可以同时产生多路高可靠性的总线信号，信号间的隔离至关重要。本发明中除了集成测试现场常见的RS232、RS422和RS485总线信号，还提供了新型高性能总线ARINC429和CAN，为更多的新型被测模块提供了方便可靠而又灵活的数字信号激励源。
本发明采用如下技术方案：
隔离型多协议数字信号激励源，其特征在于：其包括有控制芯片FPGA111，系统供电电源101，DC/DC电源模块102，两路RS232总线收发电路103、六路RS422总线收发电路104、七路RS485总线收发电路105、两路CAN总线收发器电路106和CAN总线驱动器电路107、两路ARINC－429总线收发器电路108和ARINC－429总线驱动器电路109，信号隔离电路110，电平转换电路112，电脑主机终端113；上位机通过RS232－RS485串口转换器与RS485总线收发电路105连接，RS485总线收发电路105的输出端连接至控制芯片FPGA111，FPGA111内部有数据处理电路和嵌入式的软内核处理器；控制芯片FPGA111的输出端信号经电平转换电路112与两路RS232总线收发电路103、两路ARINC－429总线收发器电路108相连，与六路RS422总线收发电路104、六路RS485总线收发电路105、两路CAN总线收发器电路106直接相连；系统供电电源101直接给控制芯片FPGA111、两路RS232总线收发电路103、两路CAN总线收发器电路106、两路CAN总线驱动器电路107、两路ARINC－429总线收发器电路108及信号隔离电路110供电，通过DC/DC电源模块102后分别给六路RS422总线收发电路104、七路RS485总线收发电路105、两路CAN总线驱动器电路107、两路ARINC－429总线驱动器电路109、信号隔离电路110的输入级和电平转换电路112供电。
所选用的FPGA111型号为EP2C20F484C8。
RS232总线收发电路103选用集成了磁隔离技术和DC－DC转换器的ADM3251芯片，数据速率达460kbps，SOIC20封装。
RS422总线收发电路104、RS485总线收发电路105均选用集成了磁隔离技术和DC－DC转换器的ADM2587E芯片，具有半双工和全双工模式，通信速率分别为数据速率：16Mbps/500kbps，SOIC＿W20封装。
CAN总线收发器电路106选用电流隔离式芯片ISO1050，为总线提供了差分传输能力，信号传输速率为1Mbps，DUB封装。
CAN总线驱动器电路107选用SJA1000T芯片，完成根据CAN总线协议控制数据帧的发送和接收功能，具有扩展的64字节、先进先出接收缓冲器，信号传输速率为1Mbps，SO28封装。
ARINC－429总线收发器电路108选用HS－3282芯片，支持标准的32－Bit或25－Bit数据字长，数据速率为100kbps或12.5kbps，具有一个8ⅹ32Bit的FIFO发送缓冲，CERDIP40封装。
ARINC－429总线驱动器电路109选用HS－3182芯片，完成对两路信号的差分驱动，数据速率为100kbps，SBDIP16封装。
供电电源101通过DC/DC电源模块102隔离后给两路RS232总线收发电路103、六路RS422总线收发电路104、七路RS485总线收发电路105、两路CAN总线收发器电路106和CAN总线驱动器电路107、两路ARINC－429总线收发器电路108、ARINC－429总线驱动器电路109和信号隔离电路110的输入级供电。
信号隔离电路110采用了电磁隔离技术，选用ADUM1410芯片对时钟信号和ARINC－429总线收发器电路108的数字信号进行了电气上的隔离。
电平转换电路112选用SN74LVCH16T245－E16位双电源总线收发器芯片完成FPGA111与RS232总线收发电路103和ARINC－429总线收发器电路108之间3.3V信号与5V信号的电平转换。
FPGA111作为控制芯片，可在片上进行编程，系统可根据需要进行升级和优化。
本发明中的多协议隔离型数字信号激励源采用FPGA作为主控芯片，结合DC/DC隔离电源及磁耦隔离技术，实现电气隔离，并通过RS485总线与上位机进行数据交换，具有很好的工作稳定性。多协议隔离型数字信号激励源能够实现多种信号的发送控制、波特率设置，实现信号隔离，单端信号的差分驱动，信号波特率控制等。且多协议隔离型数字信号激励源能够实现数据处理电路的片上编程控制，可根据实际应用需要对电路进行功能扩展、在线调试和升级，丰富了多协议隔离型数字信号激励源的功能，应用范围更加广阔。
附图说明
图1：本发明的多协议隔离型数字信号激励源的系统结构示意图；
图2：本发明的多协议隔离型数字信号激励源电路中的信号隔离电路结构示意图；
图3：本发明的多协议隔离型数字信号激励源电路中的电平转换电路结构示意图；
图4：本发明的多协议隔离型数字信号激励源电路中的下位机软件流程示意图；
图5：本发明的多协议隔离型数字信号激励源电路中的FPGA控制电路结构示意图
图中：101、系统供电电源，102、DC/DC电源模块，103、RS232总线收发电路，104、RS422总线收发电路，105、RS485总线收发电路，106、CAN总线收发器电路，107、CAN总线驱动器电路，108、ARINC－429总线收发器电路，109、ARINC－429总线驱动器电路，110、信号隔离电路，111、FPGA，112、电平转换电路，113、主机终端。
具体实施方式
本发明提供的一种基于FPGA和RS485通信的多协议隔离型数字信号激励源，如图1所示，系统供电电源101提供+12V和+5V输入电压，一部分给DC/DC电源模块102供电，一部分分别给RS232总线收发电路103、CAN总线收发器电路106、CAN总线驱动器电路107输入级、FPGA111、ARINC－429总线收发器电路108输入级、信号隔离电路110输入级、电平转换电路112供电。DC/DC电源模块102输出±15V隔离电压给ARINC－429总线驱动器电路109，+5V隔离电压分别给CAN总线驱动器电路107、ARINC－429总线收发器电路108输出级、信号隔离电路110输出级提供电源，+3.3V电压给RS422总线收发电路104、RS485总线收发电路105输入级、电平转换电路112供电；
RS232总线收发电路103、RS422总线收发电路104、RS485总线收发电路105均分别应用了专用串口隔离式芯片，芯片内部集成了DC－DC隔离电源和采用磁隔离技术的信号隔离，可以避免各种电器噪声、共模干扰、接地环路等对系统的干扰，增加信号的稳定度；
ARINC－429总线信号的实现主要依靠ARINC－429总线收发器电路108和ARINC－429总线驱动器电路109。其中ARINC－429总线收发器电路108接收FPGA111的控制信号，用于完成发送数据的缓存，对数据进行串并转换，发送时将并行数据转换为串行，接收时将串行数据转换为并行，由于ARINC－429总线收发器电路与FPGA111的控制信号的电平不同，需要经过电平转换电路112进行电平转换，电平转换电路如图3所示；ARINC－429总线收发器电路108输出的信号再通过信号隔离电路110进行电气隔离，为了达到隔离效果，信号隔离电路110输入级的电源由DC/DC电源模块提供，输出级电源由系统电源提供，这样能保证两端电源不共地，使输入输出两端的信号相互之间没有任何电气联系，互不干扰，这样就起到了电气隔离的效果，信号隔离电路如图2所示；ARINC－429总线驱动器电路109用于完成系统内部逻辑信号与ARINC－429差分信号的转换，并且可以对ARINC－429总线传输速率进行调节，最终将信号送入ARINC－429总线。外部提供的工作时钟一般为1MHz，通过软件控制可以使HS3282的接收和发送模块工作在不同的速率(100kb/s或者12.5kb/s)，从而使器件的通用性更强；
CAN总线信号的实现主要依靠CAN总线收发器电路106和CAN总线驱动器电路107。其中CAN总线收发器电路106用于接收FPGA111的指令，完成CAN的通信协议，产生单端CAN总线信号，经过CAN总线驱动器电路107将单端信号变成差分信号后输出到CAN物理总线上。
FPGA111控制多协议隔离型数字信号激励源整套系统的信号采集、数据处理和数据发送部分，FPGA控制电路的原理框图如图5所示，其内部有异步FIFO数据缓存电路、包含嵌入式软核niosII处理器以及相关的IP核的SOPC以及相关处理电路等，这些电路都是由软件写入到FPGA111中。所有下位机控制软件都存储在FPGA111外部的串行FLASH存储器内，数据通过RS485通讯模块105发送到主机终端112，显示在上位机软件上；
由于本发明在实现多种协议数字信号激励源的同时还需完成系统的通讯任务，为了能够更好的控制网络的正常通讯，FPGA内嵌入了μCOS操作系统来控制各个任务的执行，网络的通信遵循自定义的通讯协议，能够保证数据不丢失的传送到上位机，软件工作流程图如图4所示，系统上电后进入μCOS操作系统，并不断的侦听RS485发送的信息，当收到上位机的指令后，根据指令执行相应的操作，开通对应的任务及数据流的发送和接收控制等。其中，18路数字信号任务可用于实现多通道数字激励信号源同步进行打开、关闭、同时开启等操作。
系统的供电接口通过3芯航空插头连接电源设备；信号输出端接口采用J30J－37微型矩形电连接器。

Claims (7)

1.隔离型多协议数字信号激励源，其特征在于：其包括有控制芯片FPGA(111)，系统供电电源(101)，DC/DC电源模块(102)，两路RS232总线收发电路(103)、六路RS422总线收发电路(104)、七路RS485总线收发电路(105)、两路CAN总线收发器电路(106)和CAN总线驱动器电路(107)、两路ARINC－429总线收发器电路(108)和ARINC－429总线驱动器电路(109)，信号隔离电路(110)，电平转换电路(112)，电脑主机终端(113)；上位机通过RS232－RS485串口转换器与RS485总线收发电路(105)连接，RS485总线收发电路(105)的输出端连接至控制芯片FPGA(111)，FPGA(111)内部有数据处理电路和嵌入式的软内核处理器；控制芯片FPGA(111)的输出端信号经电平转换电路(112)与两路RS232总线收发电路(103)、两路ARINC－429总线收发器电路(108)相连，与六路RS422总线收发电路(104)、六路RS485总线收发电路(105)、两路CAN总线收发器电路(106)直接相连；系统供电电源(101)直接给控制芯片FPGA(111)、两路RS232总线收发电路(103)、两路CAN总线收发器电路(106)、两路CAN总线驱动器电路(107)、两路ARINC－429总线收发器电路(108)及信号隔离电路(110)供电，通过DC/DC电源模块(102)后分别给六路RS422总线收发电路(104)、七路RS485总线收发电路(105)、两路CAN总线驱动器电路(107)、两路ARINC－429总线驱动器电路(109)、信号隔离电路(110)的输入级和电平转换电路(112)供电。
2.根据权利要求1所述的隔离型多协议数字信号激励源，其特征在于：RS232总线收发电路(103)、RS422总线收发电路(104)、RS485总线收发电路(105)应用了隔离式芯片，在芯片内部集成了DC－DC隔离电源和采用磁隔离技术的信号隔离。
3.根据权利要求1所述的隔离型多协议数字信号激励源，其特征在于：CAN总线收发器(106)采用了隔离式CAN收发器ISO1050。
4.根据权利要求1所述的隔离型多协议数字信号激励源，其特征在于：在ARINC－429总线收发器(108)选用ARINC－429专用协议芯片HS－3282，ARINC－429总线驱动器(109)选用ARINC－429总线驱动芯片HS－3182。
5.根据权利要求1所述的隔离型多协议数字信号激励源，其特征在于：在ARINC－429总线收发器(108)和ARINC－429总线驱动器(109)之间选用四通道数字隔离器ADuM1410。
6.根据权利要求1所述的隔离型多协议数字信号激励源，其特征在于：系统供电电源(101)通过DC/DC电源模块(102)隔离后分别给六路RS422总线收发电路(104)、七路RS485总线收发电路(105)、两路CAN总线驱动器电路(107)、两路ARINC－429总线驱动器电路(109)的输入级、信号隔离电路(110)的输入级和电平转换电路(112)供电。
7.根据权利要求1所述的隔离型多协议数字信号激励源，其特征在于：所选用的FPGA(111)型号为EP2C20F484C8。
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