FPGA数字变换器控制电路设计攻略

　　在飞行器发射试验中，常用遥测系统获取其内部各系统的工作状态参数和环境数据，为评定飞行器的性能及故障分析提供依据。数字量变换器作为遥测系统弹上的重要设备，它的主要功能是控制接收弹上的各种飞行参数。变换器性能的优劣将直接影响遥测结果，对飞行器研制和试验过程中试验数据的测试产生很大影响，将关系到飞行器试验的成败和以后飞行器性能的改进和提高。在飞行器的研制过程中，多次试验和考核是非常重要的。对数字量变换器做出准确、客观、可靠地评价是其生产过程中的关键环节，而这一环节只能由变换器测试系统来完成。可编程逻辑器件（FPGA）以其高速、可重构、设计灵活、开发费用低、I/O 引脚和内部资源丰富的等优点，在近代测试系统中赢得了越来越广泛的应用。本文以FPGA 为逻辑控制中心设计的测试系统，主要是对数字量变换器进行单元测试，在其实际研制和调试过程中发挥了关键的作用。

　　系统结构和工作原理

　　系统设计时，采用模块化设计的思想，按照技术指标设计各个功能模块，通过各模块之间的协调配合完成系统的测试任务。系统的整体结构框图如图1所示，整个系统由计算机、USB 芯片FT245、两片FPGA、输出电源电压控制模块、计算机字信号发送模块、勤务信号发送模块、计算机字数码与指令数码接收模块和指令信号发送模块组成。模块化设计能够使在进行系统调试和硬件编程时，简单、快速的定位并解决问题。

　　硬件电路选用XILINX 公司的XC3S200-208和XC2S100-208两片FPGA 作为系统的逻辑控制中心，其中XC3S200-208作为主控芯片，主要实现对上位机的命令接收和判断，进而产生和发送计算机字信号，接收计算机字数码和指令数码并编帧、上传数据至上位机；XC2S100-208作为从控制芯片，完成128路指令信号的发送；两片FPGA 之间采用串行通信的方式发送控制命令来实现通讯。另外，通过上位机软件可以实现向系统发送复位或停止命令，这样能够减少硬件的功耗并提高测试系统的工作效率。

　　USB 接口模块实现

　　USB 具有成本低、通用性好、连接简单、支持热拔插等特点，而从系统实际的速率传输要求出发，设计采用通用USB 接口芯片FT245BM 实现与上位机的通信。FT245BM 主要的功能是在内部逻辑的作用下实现数据串/并双向转换，它的最大传输速率可以达到M/s.FT245BM 免去了复杂的固件编程及驱动程序的编写，能够简化USB 的接口设计，为系统节省设计时间。

　　FT245BM 的8位数据线D7~D0、读信号RD、写信号WR、发送使能TXE、接收数据完毕信号RXF 与FPGA 连接，来完成两者的通信。计算机通过应用程序、动态链接库的有效配合将控制命令信号发送到FT245BM，FPGA 利用与之相连的I/O 口接收下发的控制命令或是发送上传的测试数据。

　　输出电源电压控制模块实现

　　由于需要为被测数字量变换器提供3档工作电压25V、28V、31V，在电源模块输出端连接三种不同阻值的电阻，就可以实现3种电压的切换，实现控制的电路如图3所示。

　　图中VCON+，VCON-为电源模块的输入电压，R25、R26、R27三组电位器用来调节电阻。25VCON、31VCON 分别与FPGA 的I/O 相连，是FPGA 给出的控制信号，电路中三极管的作用是利用其电流放大来增加信号的驱动能力。通过FPGA 对控制命令的判断来实现3档电压的控制。此外，系统的默认及复位的输出电压为28V。

　　计算机字信号发送模块实现

　　由于要求计算机字和移位脉冲的幅值都为8~10V，所以电路中采用运算放大器电路对FPGA 输出的信号进行放大来获取所需幅值的信号。计算机字信号发送电路如图4所示。

　　为了满足输出信号的精度和电流驱动能力的要求，本模块中采用AD 公司的运放AD811来设计电路。此运算放大器是高速运放，采用双电源供电，2500V/us 是其最高转换速率，具有较低的电流、电亚噪声。设计中采用同相放大电压串联型负反馈电路，输出电压稳定并且反馈效果好。电路中R83的接地是为了尽量减小由于偏置电流引起的电压失调，其阻值等于R22和R60的并联阻值，为R22//R60=666Ω。

　　勤务信号发送模块实现

　　计算机字信号和指令信号都有相应的勤务信号来满足时序要求，一般勤务信号就是指帧、码同步信号，对其他信号的产生和接收起到时序基准同步的作用。指令勤务信号的电路原理如图5所示。计算机字勤务信号与其原理相同。根据系统的信号输出要求，即帧、码同步信号的幅值和电流驱动能力的要求，采用非门芯片SN5405J 作为驱动电路来满足设计要求。

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