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1、Automation Instrumentation2015(1) 基于 W5300 的外系统等效器设计 文章编号：1001-9944(2015)01-0024-05 鲍晓祺 1，2，杜文略1，2，沈三民1，2 （1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；2.中北大学 电子测试技术重点实验室， 太原030051） 摘要： 针对飞行器测试实验阶段需要对飞行器各种信号进行模拟， 以配合测试系统的工 作，设计了一种基于以太网传输接口、以FPGA为控制核心的外系统等效器。 该等效器采用 W5300实现以太网与上位机进行通信，命令下发至主控板FPGA进行解析转发，来控制协调 各
2、个功能板产生需要的信号， 包括27路直流信号、17路状态信号、15路脉冲信号以及3路正 弦交流、平台力矩电流、数字串口、马达电源等信号。 与其他设备联试结果显示，该等效器 可靠性高且功能稳定，已成功应用于某航天测试系统。 关键词：W5300；等效器；以太网；信号源 中图分类号：TN919文献标志码：A Design of Equivalent Equipment for External System Based on W5300 BAO Xiao-qi1，2，DU Wen-le1，2，SHEN San-min1，2 （1.Key Laboratory of Instrumentation S
3、cience & Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Educa- tion，Taiyuan 030051，China；2.National Key Laboratory for Electronic Measurement and Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China） Abstract：Aiming at the experimental stage vehicle test，the need for aircraft to matc
4、h various signal simulation test system，a system was designed based on Ethernet transmission interface，using FPGA as the control core of the exter- nal system equivalent device. The equivalent device adopts W5300 to realize the communication between PC and FPGA Ethernet，sent to the main control boar
5、d command parsing forwarding，to control the function board coordination produce the required signal，including 27 DC signal，17 Road，15 road condition signal pulse signal and the 3 Road sinusoidal alternating current，torque current，serial，digital platform motor power signal. Test results in combinatio
6、n with other equipment display，high reliability and stable function of the equivalent device，has been successfully ap- plied in a space test system. Key words：W5300；equivalent equipment；Ethernet；signal source 收稿日期：2014-10-24；修订日期：2014-11-26 基金项目：国家自然科学基金重点项目（51275491） 作者简介：鲍晓祺（1988），男，在读硕士研究生，研究方向为数
7、字通信；杜文略（1990），男，在读硕士研究生，研究方向为 测试计量技术及仪器；沈三民（1972），男，副教授，研究方向为智能探测与控制。 在各型号导弹及飞行器正式投入工作之前，需 要对其各项功能指标进行实验测试， 然而由于导 弹、飞行器等一般造价昂贵，实验过程中如果直接 进行实弹发射或是飞行器升空来进行测试会造成 巨大的损耗，而且会造成很多额外的人力资源及财 力物力浪费。 因此，本文设计了一种外系统等效器 仪器仪表装置 24 自动化与仪表2015(1) 来模拟导弹及飞行器发射或升空时一些控制及状 态参数， 以配合测试系统的其他部分进行联试，达 到预期的检测效果。 该等效器采用模块化设计以增
8、强其通用性、可靠性、智能性，而且出现问题后可以 高效解决。 1系统的总体结构 整个系统由背板、模拟信号板、状态脉冲信号 板、 正弦信号板及马达电源信号板5块板卡组成， 如图1所示。 等效器系统利用以太网接口的UDP协议传输 模式，实现上位机与硬件之间的网络通信，背板接 收上位机下发的指令， 在FPGA解析命令并通过 RS422接口转发给各个功能模块， 同时背板与外部 电源相连， 为各个功能板供电； 各个功能板都由 RS422接口模块、FPGA控制模块、信号产生模块组 成，RS422接口电路在FPGA的时序控制下接收 背板的命令并通过外围信号产生电路产生相应的 信号1-2。 2系统硬件设计 2.
9、1W5300以太网接口电路设计 传统的等效器多采用USB或PCI接口实现工 控主机与等效器系统的通信，USB接口容易掉线而 PCI受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩 展性差。 因此本系统选用WizNet公司的W5300设 计以太网接口与主机通信。 此芯片集介质访问控制 管理、物理层控制、固件通信协议于一体，大大简化 接口设计工作，提高设计效率。 设计中W5300采用直接寻址模式，FPGA将 W5300配置成接收模块，直接寻址模式下，FPGA通 过地址总线可以访问W5300的内部寄存器。以太网 与FPGA连接如图2所示。 设计中BIT16EN为高电平， 设置为16位数据 总 线 ；TES
10、T_MODE3：0和OP_MODE3：0引 脚 接 地， 配置为全功能自动握手工作模式；W5300与 RJ45之间接入隔离变压器，既能提高稳定性和抗噪 性又能保护接口电路3-4。 2.2正弦交流信号源电路设计 本系统要求产生3路幅值不同频率不同的正 弦信号， 采用AD558作为D/A转换芯片， 再加上 AD824和一些电阻电容构成信号调理电路及RC有 源低通滤波器， 通过VHDL编写程序， 分时读出 FPGA内部ROM中提前写入的256个采样点，即可 产生相应幅值、 频率的正弦交流信号， 电路如图3 所示。REF0205可以产生5 V参考电压，AD558通 过不同的连接方式可以将其输出电压范围
11、调节在 02.56 V或010 V，本设计采用后者的接法。 2.3模拟量信号源电路设计 在模拟量信号源模块中， 主要包括D/A转换 器、模拟开关和调理电路的设计，本模块主要功能 是FPGA输出12位数字量，经由AD7945进行数模 转换、再经AD827放大、通过ADG506模拟开关选 择通道，再经过OPA4234放大或跟随，输出-10 V 10 V，-5 V5 V，05 V之间的直流量输出。 对于可 调不同电压值的直流量信号，用D/A转换器产生小 幅度电压，然后经过信号调理电路调理后产生所需 要的电压值，是最优先的选择。 对于27路的直流信 号，因为每一路直流信号的变化较缓慢，每一路直 流信号
12、单独输出，不太现实，而且成本会很高，因此 本系统设计时用模拟开关分时切换来输出27路信 号， 这样27路模拟直流信号仅仅需要一片D/A转 换电路就可实现。 模拟信号产生电路如图4所示。 图1系统总体结构 Fig.1Overall structure of system 图2W5300接口框图 Fig.2W5300 interface diagram 隔离变压器 RJ45 W5300 CS WR RD ADDR9:0 DATA15:0 BIT16EN OP_MODE2:0 RESET FPGA CS WR RD ADDR9:0 DATA15:0 BIT16EN OP_MODE2:0 RESET
13、各 个 功 能 模 块 FPGA 以太网 接口模块 工控机 指令及数据 收发模块 供电模块电源 422接口电路 FPGA 信号产生电路 模拟信号板 422接口电路 FPGA 信号产生电路 状态脉冲信号板 422接口电路 FPGA 信号产生电路 正弦信号板 422接口电路 FPGA 信号产生电路 马达电源信号板 测量系统 背板 仪器仪表装置 25 Automation Instrumentation2015(1) 图3正弦交流信号电路图 Fig.3Sinusoidal ac signal circuit diagram 2.4状态脉冲信号电路设计 本系统利用三极管的开关作用及光耦芯片 AQY21
14、0在FPGA的时序控制下，接收上位机命令， 产生28 V、35 V的17路状态信号及1 s、500 ms、 200 ms的15路脉冲信号。 具体电路如图5所示。 FPGA解析命令控制管脚输出0或1， 与三极管 DD1端相连。当DD1为高电平，三极管导通，处于饱 和状态，电流流过AQY210的1、2管脚，使光耦导 通，4管脚即可输出3管脚所接的电压； 当DD1为 低电平，则三极管处于截止状态，光耦不能导通，由 此产生28 V、35 V的状态信号。 通过FPGA控制导 通时间即可产生1 s、500 ms、200 ms的脉冲信号。 2.5马达电源信号电路设计 任务要求本系统可以产生马达电源信号以驱
15、图4模拟信号产生电路 Fig.4Analog signal circuit 图5状态脉冲信号产生电路 Fig.5State pulse signal circuit 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DB1_0 DB1_1 DB1_2 DB1_3 DB1_4 DB1_5 DB1_6 DB1_7 CE1 CS1 11 16 15 14 13 12 DB0VCC DB1 DB2 DB3 DB4Vout DB5 Vout_SE DB6Vout_ST DB7 CEGND CSGND U3 AD558 AGND AGND +15 V AD824 C2 104 -15 V AGND +15 V C
16、51 1 F C3 104 2 3 - + 411 +15 V U6A 1 C52 1 F R5 100 AGND Vref R111 k R121 k R23 2 k AGND 5 6 R252 k + - U6B AD824 7 R6100KUztjdy 幅度为4 V的 2 kHz的正弦信号 C4 104 AGND +15 V C5 106 C6 104 AGND -15 V C7 106 U8+15 V C64 105 Vref6 2 4 VIN GND VOUT REF0205 C8104 C57106 AGND BD0 BD1 BD2 BD3 BD4 BD5 BD6 BD7 BD8
17、BD9 BD10 BD11 CS WR U5 +15 V C29 105 VCC 6 2 4 VIN GND VOUT REF0205 C3104 C4 104 AGND +15 V C35 106 -15 V AGND C5 104 C36 106 R34 1.2 k R34 1.2 k +15 V U6A AD827 + - 3 2 1 -15 V R142.4 k C5110 pF R401.2 k R82.4 k C50 10 pF U6B AD827 - + 6 5 7 R720 R19510 C2 104U4 AD7945 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4
18、 16 17 BD0VDD BD1 BD2 BD3 DGND BD4 BD5 BD6 VREF BD7 BD8RFB BD9 BD10 IOUT BD11 CSAGND WR 18 3 19 20 1 2 kBmxjs R39 51 +28 V AQY210 JD5 VCC R321 k R36200 Q5 3DK103 DD 1 14 23 仪器仪表装置 26 自动化与仪表2015(1) 动测量系统的马达正常工作。 该信号为正负对称 的大功率方波信号， 因此在AD827进行一级放大 之后，采用REF0205产生5 V偏置电压，再利用滑 动变阻器微调，使其产生正负对称的方波信号。 由 于所需马
19、达信号功率较大， 采用大功率且散热较 好的运放芯片OPA548再次进行放大，最终产生功 率与电压符合标准的马达信号源， 电路图如图6 所示。 3系统软件设计 3.1总体逻辑设计 整体的程序逻辑图如图7所示。 先对系统进行上电复位，待系统中的各个芯片 都完成复位后，W5300完成初始化， 当上位机软件 发送命令时，该系统接收命令然后按照通信协议将 数据存储到以太网接口卡的FPGA内部寄存器中， 然后通过RS422接口发送给各个功能版的RS422 接口。然后，功能板的RS422接口接收数据经FPGA 处理后，统一调度，解析命令并下发，在命令中应该 包括4种信号源的信息，然后输出各种信号源5-6。
20、3.2W5300控制逻辑设计 以W5300实 现 以 太网主要包括复位、初 始化、数据接收、数据发 送4个模块， 可以基于 FPGA用VHDL语言对 W5300的工作方式进行 状态设置，W5300逻辑 控制流程如图8所示。 W5300在工作之前 需要进行上电复位，且 复位信号RESET至少 要保持2 s的低电平， 然后变为高电平， 等待 至少10 ms使得W5300 内部锁相环稳定后，再 进行W5300初始 化 等 操作。 初始化W5300就 图6马达电源信号电路 Fig.6Motor power supply circuits 图7整体逻辑设计流程图 Fig.7Overall logical
21、 design flow chart 开始 复位 通过RS422接口向其它 模块发送数据，其它模块 接收数据进行命令解析 初始化W5300 W5300接收到数据？ 接收数据并存储至 FPGA内部寄存器 状态 脉冲信号 模拟 信号 正弦 信号 马达 电源信号 信号源输出 Y N 图8W5300逻辑控制流程图 Fig.8W5300 logic control flow chart 开始 W5300复位 W5300初始化 SOCKETO建立连接 读寄存器值 数据为0？ 读取数据 发送使能？ 发送数据 Y N N Y 仪器仪表装置 U4 +15 V C82 105 6 2 4 VIN GND VOUT
22、 REF0205 C52106 C2104 +5 V R13510 k R31 5 k R40 5 k R32 5 k - + 6 5 7 U5B AD827 R65 1 k +15 V + - 3 2 1 U5A AD827 -15 V 48 R20 3.6 k R51.2 k R173.6 k R61.2 k kUtlmddyA 1 R33 5k R35 5k R37 5k R67 1k R69 1k R85 3.9k - + 2 1 7 6 3 45 U6 +28 V R86 3.9 k R71 1 k D3 D3 R96 510 OPA548 R9114.7 k C89103 -28
23、V kUtlmddyA 27 Automation Instrumentation2015(1) 是将相应的参数按照写时序要求写入寄存器即可， 初始化分3个步骤：主机接口设置、网络信息设置 和内部TXRX存储器的分配。 在设置主机接口时， 模式寄存器MR保持默认值0 xB800， 这样W5300 便工作在16位总线宽度的直接访问模式； 中断屏 蔽寄存器IMR写入0 xFF，不屏蔽任何中断。 为了实 现以太网传输协议，FPGA在程序中必须对SOCK- ET进行初始化， 本系统中选择SOCKET0， 通过 Sn_MR（P3：P0）设置协议类型和Sn_PORTR设置本 机端口。 然后执行开始OPEN
24、命令。 执行OPEN命 令后， 如果SOCKET的状态改变为SOCK_UDP，则 完成SOCKET的初始化。 4系统试验结果与分析 本系统上位机软件采用VB编写， 当上位机设 定好所发信号类型、路数、占空比、频率、振幅等参 数， 处理程序根据所设参数组合成标准命令帧，然 后按照协定好的统一的通信协议，通过以太网接口 下发，背板接收并解析命令后再通过RS422接口转 发给各个功能版，功能版再次解析命令，并控制功 能版信号产生模块产生相应的信号。 仅以产生一个4 V、2 kHz的正弦交流信号为 例。 如图9为上位机控制界面，上位机发送长度为9 字节的命令帧6D 5B 59 BB 9E 66 00
25、EB 90，其 中6D 5B为帧头，EB 90为帧尾，59 BB 9E 66 00 分别为“板卡”、“路数序号”、“频率”、“振幅”、“启动/ 停止状态”参数。 经功能板FPGA解析命令后， 控制交流正弦模 块输出振幅4 V、频率2 kHz的正弦交流信号。 图10 为产生的正弦波信号。 5结语 本文研究设计了一种应用于测量系统与飞行 器控制系统的等效接口， 产生各种测试所需的信 号，以达到在实验室、总装厂以及技术阵地能全面 模拟外系统配合测量系统进行系统测试。 通过对系 统实测数据和波形的分析结果显示，系统能准确通 过以太网接口接收上位机发送的命令，控制各个功 能模块产生所需的信号，并且已成功
26、用于某航天测 试系统中。 参考文献： 1苏虎平.集成多总线的等效测试系统设计与实现D.山西：中北 大学，2013. 2陈海洲，叶勇，沈三民.一种测量系统等效器的设计J.计算机测 量与控制，2012，20（5）：265-267. 3李勋，刘文怡.基于FPGA的以太网接口设计与实现J.自动化与 仪表，2014，29（5）：57-60. 4任永峰.飞航导弹遥测匹配装置自动监测系统研究D.山西：华 北工学院，2000. 5候伯亨，顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计M.西 安：西安电子科技大学出版社，1998：110-170. 6苏虎平，沈三民，刘文怡，等.基于USB和FPGA的多功能等效器 设计J.电视技术，2012，36（23）：56-59. 图94 V/2 kHz正弦交流信号（上位机） Fig.94 V/2 kHz sinusoidal ac signal（PC） 图104 V/2 kHz正弦交流信号（示波器） Fig.104 V/2 kHz sinusoidal ac signal（scope） 仪器仪表装置 自动化与仪表编辑部全体员工 祝新、老读者新年快乐 万事如意！ 28