基于CPLD的多次重触发存储测试系统设计

1 引言

多次重触发技术应用于多种场合，如一个30齿的齿轮，设齿轮啮台系数为1．2，若测量其中1齿多次啮合时的应力，则1齿的啮合时间只占齿轮转l圈时间的1．2／30，其余28．8／30的时间为空闲态，而空闲态记录无意义。为此开发多次重触发技术，以齿应力作为内触发信号，只记录每次触发后的有用信号，并具有负延迟，而不记录空闲状态．直到占满记录装置存储空间，这样可有效利用存储空间，记录更多的有用信号。

2 多次重触发存储测试系统总体设计

2．1 多次重触发存储测试系统工作原理
   
图1为多次重触发存储测试系统原理框图，其工作原理：被测信号经传感器变为电信号后，输入至模拟调理电路，再经放大滤波后输入至A／D转换器，将模拟信号转换为数字信号，然后经过FIFO传输给存储器，计算机通过通信接口读取数据。其中，该存储测试系统的A／D转换器的转换和读时钟、FIFO及存储器的读写时钟、推地址时钟均由CPLD控制产生。




2．2 负延迟的实现
    动态信息存储要求真实有效地记录有用信号，根据被测信号特点，需记录下触发前信号在极短时间内的数据，这就要使用负延迟技术。负延迟也称为提前传输，即将触发信号的触发采集时刻提前一段时间作为传输数据的起始点。该系统设计采用FIFO存储器实现负延负延迟。触发信号未到来时，A／D转换器输出的数据不断写入FIFO存储器中，A／D转换器转换的数据不断刷新FIFO存储器的内容。一旦触发信号到来，数据则开始从FIFO写入存储器。

2．3 主要器件选型
   
该系统设计选用AD7492型A／D转换器。该器件为12位高速、低功耗、逐次逼近式A／D转换器。在5 V电压，速率为1 MS／s时，其平均电流仅1．72 mA，功耗为8．6 mW；在5 V电压和500 kS／s数据传输速率下，消耗电流1．24 mA，因此，该器件能够满足系统低功耗要求。由于该系统设计的存储器总体容量为512 KB，因此选用l片容量为512 KB的N08T163型存储器。并通过静态存储器时序配合实现自制的FIFO存储器，功耗约为同类FIFO存储器的1／10。系统设计的负延迟记录l KB，选用128 KB容量的N02L163WC2A型存储器。针对存储测试系统功耗低，体积小，且控制逻辑较复杂的因素，MAX7000B系列的EPM7128BTCl44-4型CPLD作为控制器。该器件是高性能，低功耗的CMOS型CPLD，2500个可用逻辑门电路，引脚到引脚的传输延时为4．0 ns，系统工作频率高达243．9 MHz。

3 CPLD控制电路的设计
   
基于CPLD的多次重触发存储测试系统主要由A／D转换器、存储器、FIFO和控制器CPLD等组成，其中CPLD控制电路由时钟、多次重触发、FIFO地址发生、存储器地址发生、存储器计满，电源管理和计算机通信等模块组成，如图2所示。



3．1 控制电路各模块功能

 (1)电源管理模块 该模块主要控制系统功耗。当系统处于休眠状态时，只有Vcc对CPLD供电；当系统进入正常工作状态时，Vcc，VDD和VEE同时供电，晶振工作，当采样结束，系统关闭VEE，模拟部分进入休眠状态，晶振停止工作。该模块能够满足系统低功耗要求。
   
(2)时钟模块 晶振提供的4 MHz信号经4个二分频器，分别得到2 MHz、1 MHz、500 kHz和250 kHz的时钟信号，由这些信号组合得到A／D转换器的采样信号convst、FIFO的写信号、A／D转换器的读信号ffwr_adread以及FIFO的推地址信号ff_dz，均为250 kHz。
   
(3)多次重触发模块 当外界多次重触发信号m_tri到来后。经D触发器产生的open信号变为高电平，计数器开始计数时钟信号ff_dz，每计8 KB后停止计数，并产生清零信号clr对open信号清零，等待下次触发信号。由时钟信号ff_dz和open信号控制产生的时钟信号clkl作为写存储器时的推地址信号和写信号，open信号取反后接至存储器使能端。
   
(4)FIFO地址发生模块CPLD对FIFO的地址控制由时钟模块ff_dz信号产生，在时钟信号ff_dz的下降沿开始推FIFO地址。[page]
   
(5)存储器地址发生模块 多次重触发模块产生clkl信号作为存储器的推地址信号m_dz推地址，将转换数据写入存储器，写满8 KB后停止写操作，等待下次触发信号。存储器存满512。KB后停止推地址和写操作，等待计算机读数。读数时，计算机每向CPLD发送1个读数脉冲，地址信号向前推进1位，CPLD就从存储器中对应的地址单元读取1个数据。
   
(6)存储器计满模块 当多次重触发信号m_tri到来后，open信号变为高电平，计满8 KB后变为低电平，等待下次触发信号。因此用计数器计数open信号下降沿，计满64个后存储器满信号tc变为高电平。

3．2 CPLD总体控制电路仿真及分析
   
图3为CPLD总体控制电路仿真图。图3中触发信号m_tri产生3次，由nopen信号看出存储器选通3次，由存储器地址信号m_addr的变化可看出存储器记录每个触发信号8 KB，并不断更新FIFO的数据。第1个触发信号m_tri到来后，nopen信号变为低电平即选通存储器。这时产生存储器的推地址信号和写信号m_dz信号，并且在下降沿时将推地址给存储器，存储器在低电平期间进行写操作。触发信号m_tri到来后计满8 KB，nopen信号产生高电平不选通存储器，且存储器的推地址信号和写信号m_dz变为高电平。



4 实验验证
   
通过实验验证该测试系统功能。实验中给测试系统加载8次触发信号，连续采集8次。由于该系统设计最多可以采样64次，如果重触发信号次数未达到64次，需手动给测试仪一个强制读数信号使得仪器采样结束。多次重触发信号8次有效后，手动强制读数信号使得仪器结束采样，通过上位机软件判断采集到的波形幅值和手动调节的幅值是否对应。若对应，表明系统采样正常。
   
实验步骤：测试仪接通电源，此时测试仪采样状态指示灯的红灯亮，和计算机接上编程读数线，打开编程界面，设置多次重触发的采样频率，其他选项均采用默认设置，编程完成后，拔掉编程读数线，测试仪上电(ON=0)，红灯开始闪烁，将电荷校准仪的输出接到测试仪面板上的通道端，设置电荷校准仪的输出波形为正弦波，电荷量为2 000 PC，输出信号，给系统一个触发信号(M_TRI=1)，红灯闪烁一段时间后停止闪烁，表明系统第一次采样完成，这时调节电荷校准仪的输出电荷量为4 000 PC。再给系统一个触发信号，重复前面过程，每次采样完成后改变电荷量，直到绿灯亮，和计算机连上编程读数线，通过上位机软件读取数据，待数据读取完毕，测试仪掉电(OFF=0)，断开测试仪电源。图4为多次重触发波形。对图4中的数据进行转换和处理得到实测的电荷量值如表1所示，从表1看出，采集到的波形幅值与调节的顺序一致，系统设计符合要求。





5 结论
   
本文设计的基于CPLD的多次重触发存储测试系统性能较稳定，测量精度较高，能在高冲击等恶劣环境下正常工作，并且满足系统的低功耗、微型化要求，实现不失真采样存储信号。此系统能够实时记录多次重触发信号，每次信号的记录均有负延迟，读取数据时，无需程序调整，即可准确复现记录波形，因此存储测试技术在多个瞬态信号的测量中具有广阔前景。