【学术论文】基于PC104的高低压时序信号监测系统
随着现代科技的发展，航天系统、武器装备等领域对系统可靠性要求与日俱增[1-3]。为保证嵌入式控制系统的可靠性，针对嵌入式控制系统的测试尤为重要。针对系统重要的控制信号的检测及分析，直接关系到整个控制系统功能的正确性及安全性，同时在系统研究及生产领域发挥着十分重要的作用，并且不同嵌入式控制系统的输出信号的能力及状态不同。因此，时序信号监测系统的小型化、智能化、通用化是亟待解决的重要课题。
PC104是一种嵌入式计算机平台，与PC兼容，具有灵活的可扩展性，其尺寸小、功能强的特点非常适合嵌入式系统的应用[4，5]。本文基于PC104架构搭建了小型化的时序信号监测系统，以运放AD620实现外界时序信号的处理及转化，以国产BQV300 FPGA完成数字信号数据的采集，通过ISA总线完成数据到主控设备的传输，使用国产SPARC V8处理器完成信号的解析处理。时序信号监测系统对外提供网络通信模块及异步串口通信模块。用户可以根据需要，实现数据与主机之间的通信，最终在上位机软件对各项时序信号进行实时监测及处理。
1 系统整体设计
本文从硬件设计、软件设计等方面阐述高低压时序信号监测系统的整体设计构架。
1.1 硬件组成
高低压时序信号监测系统可以进行定制化组合。主要由主控单元模块、高低压测量模块、电源模块、测试电缆等组成。高低压时序测量模块可随意增减，每个高低压测量模块可以20路信号测量，以100路为例，硬件组成框架如图1所示。
测量系统各个模块采用标准PC104结构设计，通过ISA总线进行主控计算机及高低压时序采集模块的信息通信，其功能可实现对电压信号脉冲及恒流信号脉冲的测量。
1.2 功能设计
1.2.1 主控模块功能
主控计算机模块是整个时序监测系统的对内对外控制中心。其主要由CPU、SDRAM、ISA总线转换、Flash、以太网、扩展UART、PWM、总线驱动、电源变换等9个功能子模块组成。
主控计算机模块是面向控制应用，采用国产化SPARC V8处理器而研制的一种兼容PC/104规范的嵌入式计算机模块。该模块采用国产SPARC-V8处理器BM3110，支持VxWorks操作系统，对外提供交互支持。设计采用PC104主从模式控制模式，对内与高低压信号采集模块进行实时的数据传输，对外提供多元的交互通信通道，供操作者获取采样数据信息，具体结构如图2所示。
主控模块通过FPGA扩展接口输出，支持PC104总线16/8位模式，实现了128 MB SDRAM和256 MB Flash存储器，3路RS232串行通信接口，2路可冗余备份10 M/100 M自适应以太网接口。支持VxWorks操作系统，实现了TFFS文件系统。在整个时序信号监测系统起着信息数据承上启下的作用，是整个系统的核心模块。
1.2.2 从设备模块功能
高低压信号采集模块是整个测试系统的功能机理实现模块，作为从设备实现20路模拟信号转化采集测量功能。本模块由继电器控制板卡测量模式转化，通过运放调理电路对信号进行放大和转换，光耦隔离电路进行信号隔离，国产FPGA电路实现时序信号处理、存储和传输。
限于空间、体积的要求，设计实现两块板卡组成PC104高低压时序测量模块，原理框图如图3所示。模块分为数字电路板卡及模拟电路板卡，两块板卡之间信号通过接插件连接。模拟电路板卡主要为模拟电路，核心器件包括继电器、放大电路、基准电路、比较器，主要功能为实现信号切换和处理功能。数字电路板卡主要为数字电路，核心器件为FPGA、光耦、电源模块，主要提供信号控制及与PC104主板通信接口功能。
模拟电路板卡在硬件上主要划分为信号采集切换电路、信号处理电路及信号接口电路。其中，信号采集切换电路接收外部信号，可以根据数字电路板卡发送的信号完成高/低压信号电路的切换；信号调理电路，包括信号运放电路、基准电路、比较电路，实现信号的过滤处理，转换成符合数字电路要求的波形输出；信号接口电路实现数字电路板卡与模拟电路板卡之间的信号通路，获得数字电路板卡电源模块产生的供电信号，接收数字电路板卡传输过来的切换控制信号，发送采集到的波形信号。
数字电路板卡硬件上主要划分为电源模块电路、FPGA相关电路、隔离电路、PC104总线接口电路和信号接口电路。电源模块接收外部电源信号，转换成板卡各个模块需要有效电源信号，完成模拟电路板卡及数字电路板卡上器件的供电；隔离电路则完成模拟信号到数字信号的隔离工作，供FPGA处理；FPGA相关电路，完成FPGA周围信号的输入、输出，FPGA则实现所有信号的处理解析；PC104总线接口模块负责PC104总线信号的传输，完成PC104高低压时序板卡与PC104主控板卡之间的交互，实现主控板卡对测量板卡的控制及波形信息的采集；信号接口电路功能同模拟电路上的信号接口电路，负责电源信号、控制信号、波形信号在两个板卡之间的传输。
1.3 软件设计
信号监控系统分为下位机软件及上位机软件设计，通过数据传输协议进行数据交互，完成整套监控系统功能输出。
1.3.1 下位机软件设计
下位机采用VxWorks嵌入式操作系统作为开发环境，因此设计思路采用黑箱实现采集解析功能，通过对外通信接口向上位机发送最终数据，尽量减少上位机的工作。为了简化功能，采用模块化设计，其主要由自检功能模块、信号采集模块、数据存储模块、数据交互模块组成。这样不仅简化了设计流程，同时增强软件的健壮性[6]。具体软件流程如图4所示。
下位机软件上电启动后首先对整个系统进行自检测试。若自检失败，则发送自检错误帧到上位机进行报警；若自检正常，则进行系统功能配置，开始数据采集；当采集到有效数据时备份到文件系统，同时发送数据到上位机。
1.3.2 上位机软件设计
上位机为用户提供显示界面。根据通信接口获取下位机采集处理后的测量数据帧信息，并且逐条解析，根据数据协议提取关键信息，并实时显示到显示终端供用户分析。同时，上位机可以及时汇报时序监控系统状态信息，进行实时预警。具体流程图如图5所示。
1.3.3 交互协议设计
由于下位机主控计算机模块提供多种通信接口，因此上位机可以根据实际硬件选择。本设计采用网络接口，使用UDP协议进行数据传输。为保证数据传输可靠，在UDP有效数据段增加可靠性设计。具体帧格式为：帧头、帧类型、数据字段、校验、帧尾。下位机发送数据帧到上位机后，有上位机软件获取到一条UDP数据后，首先要检查数据校验是否正确，当确定为一条有效帧后，根据帧类型判断当前帧数据内容格式，提取有效数据字段，进而做相应的处理。
2 性能
PC104的高低压时序信号监测系统产品成熟后，本文分别对不同阈值参数的高压信号及低压信号进行脉宽测试，测试结果如表1、表2所示。
该产品恒压信号测量阈值范围在20 V~36 V，测量精度在1%；恒流信号测量阈值在10 mA~200 mA，测量精度可以控制在2%以内，满足大多数控制系统应用信号要求。产品经过一定量级的环境试验及压力测试，测量的稳定性和一致性较高。
3 结语
本文提出一种基于PC104系统结构设计的高低压时序信号监测系统，其具有可扩展化、小型化、模块化等特点。其硬件资源丰富，支持多任务和VxWorks嵌入式实时操作系统，速度快、精度高、功能强大，可以有效运行采集信号处理算法，提高了系统的可靠性。通过利用FPGA、SOC等先进电子元器件实现了较高的集成度，在保证实时性和可靠性的情况下，有效地减少了系统功耗，降低了成本。