半实物仿真平台硬件控制板卡的设计与实现机械工程专业

1、半实物仿真平台硬件控制板卡的设计与实现摘要本文通过分析飞控软件的功能测试环境，模拟飞行器飞控软件的外部环境，设计了飞控软件的半实物仿真平台的硬件控制板卡。飞控软件作为飞行器地面测试及正式飞行的主控单元，其工作性能的稳定性和准确性在整个系统的飞行过程中起着至关重要的作用，该平台的设计在节约成本的前提下实现了飞控软件的功能测试。本文首先介绍了半实物仿真技术的发展现状以及国内外几种知名的半实物仿真平台。结合半实物仿真的硬件在环仿真构架以及飞控软件仿真平台的功能需求完成了飞控软件半实物仿真平台的系统方案设计，本文主要完成平台的硬件板卡的设计与实现。在飞控软件半实物仿真平台硬件板卡设计中，FPGA作为主

2、控器，将采集与输出的信号分类后采用模块化设计方法完成了平台硬件的搭建。经信号整合划分后平台硬件主要由串行通信板卡、模拟量开关量输入板卡、模拟量开关量输出板卡三大功能板卡组成，并且文中对其硬件电路的设计以及CPCI总线模块和电源模块做了详细介绍。此外，文章对可配置的串行通信、模拟量采集及输出、开关量的采集以及FPGA与PCIC9054的通信的具体逻辑设计均做了详细阐述，其中包括串行通信的同步电路消抖、有限状态机的使用及编码方式的选择、开关量信号的延时滤波等技术。最后，通过完成平台的单元测试，证明了飞控软件半实物仿真平台硬件板卡的各项指标的正确性。关键词：半实物仿真，硬件在环，CPCI， FPGA

3、Design and implementation of hardware control board for semi-physical simulation platform AbstractBy analyzing the function test environment of the flight control software and simulating the external environment of the flying control software of the aircraft,

4、this paper designed the hardware control board of the Semi-physical simulation platform of the flight control software. As the main control unit of aircraft ground testing and official flight, the stability and accuracy of the flight control software play an important role in the flight process of t

5、he whole system. The design of the platform has realized the function test of the flight control software on the premise of saving the cost.This paper first introduces the development of semi-physical simulation simulation technology and several well-known semi-physical simulation simulation platfor

6、ms at home and abroad. Combined with the functional requirements of the hardware-in-the-loop simulation framework and the flight control software simulation platform, the system design of the semi-physical simulation platform of the flight control software is completed. This paper mainly completes t

7、he design and implementation of the hardware board of the platform.In the design of the hardware card of the semi-physical simulation platform of the flight control software, FPGA is the master controller which sorting the collected and output signals. Then the modular design method is used to compl

8、ete the construction of platform hardware. After the signal integration, the hardware of the platform is mainly composed of three functional cards: serial communication card, analog switch input board and analog output card, and the design of hardware circuit, CPCI bus module and power module are in

9、troduced in detail. In addition, the detailed logic design of the configurable serial communication, analog acquisition and output, the acquisition of the switch quantity and the communication between FPGA and PCIC9054 are described in detail, including the synchronization and shake of the serial co

10、mmunication, the use of the finite-state machine and the selection of the coding mode, the delay filtering of the switch signal and so on.Finally, the unit test of the platform is completed, which proves the correctness of the hardware card of the semi-physical simulation platform.Keywords:Semi-phys

11、ical simulation, Hardware-in-the-loop，CPCI，FPGA目 录1绪论11.1课题研究目的及意义11.2国内外研究现状21.3本文主要内容及章节安排52总体方案设计与分析62.1硬件在环仿真系统构架62.2平台功能简介72.3系统总体方案设计73平台硬件电路设计103.1串行通信板卡设计103.1.1常用串行通信接口比较113.1.2串行通信硬件电路设计123.1.3差分传输网络失效保护143.1.4串行通信阻抗匹配153.2模拟量/开关量输入板卡设计153.2.1模拟量线性隔离电路设计163.2.2模拟量采样电路设计173.2.3模拟信号幅值调理电路设计1

12、83.2.4开关量输入电路设计203.3模拟量/开关量输出板卡设计203.3.1模拟量输出电路设计213.3.2开关量输出电路设计223.3.3开关量浪涌防护设计233.4 CPCI总线控制器模块的设计233.4.1CPCI总线传输技术243.4.2CPCI接口芯片PCI9054253.5供电模块设计263.5.1供电模块电路设计263.5.2电源退耦283.5.3芯片散热处理293.5.4模拟地和数字地的隔离303.6 本章小结304FPGA控制逻辑设计324.1串行通信卡时序设计324.1.1异步串行通信协议324.1.2串行模块通信方式的配置334.1.3同步整形接收串行数据344.1.

13、4串行通信中数据缓存介质的使用354.1.5串行通信CRC校验算法逻辑设计364.2模拟量采集模块逻辑设计384.2.1基于ROM查找表的通道切换控制394.2.2模拟量转换时序逻辑设计394.2.3模拟量转换状态机的使用414.2.4状态机编码方式的选择424.3开关量采集模块逻辑设计434.3.1延时滤波接收开关量434.4模拟量输出模块时序设计454.5本地总线与PCI9054通信464.6 本章小结475性能测试与验证485.1平台综合测试485.2模拟量通道测试495.2.1模拟量标定505.2.2模拟量通道功能验证515.3串行通信功能测试525.4开关量通道测试535.5 本章小

14、结546总结与展望556.1论文总结556.2展望55参考文献1攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果5致谢1IV1绪论随着科学技术的飞速发展，仿真技术在复杂系统的研制过程中发挥着着越来越重要的作用。如今，仿真技术已经被设计人员运用于人们生活的各个领域，包括工业设计、农业发展、医疗器械的设计等，甚至人们的娱乐，如AR、VR，使人民的生活质量达到了更高的水平。特别是在航空航天领域，各种飞行器整个开发过程中，包括研制、鉴定、定性均离不开仿真技术的支持。甚至可以认为，若没有仿真技术的技术支撑，任何新型飞行器的开发都几乎是不可能的。本文以飞行器飞控软件的测试需求为背景，完成了飞控软件半实物仿真平台硬

15、件控制板卡的研制。1.1课题研究目的及意义飞控软件即飞行器的控制软件。飞行器的飞行过程主要依赖于其传感器系统获得飞行器的各种位姿参数并将参数信息反馈到弹载计算机，通过飞控软件计算而控制各飞控模块。其中，飞控软件设计主要负责搭建合理的软件流程，计算接收到的信息，得到控制量的参数并输出，使得各个功能模块协调有效的工作。飞控软件的实时性和准确性直接决定飞行器飞行过程的成败。在历史上，有很多因飞控软件的故障导致飞行器出现事故的事件1。1991年2月，海湾战争中因为“爱国者”和“飞毛腿”的较量，因软件计算时间误差打到0.365秒，导致拦截“飞毛腿”导弹失败，造成重大的人员伤亡2。1996年6月4日，ES

16、A完成了阿丽亚娜5型火箭的首次发射，实验结果以失败告终3。此型号火箭研制时间长达八年，经费耗资超过80亿美元，虽然为以后飞行积累了经验，但是也浪费了大量的财力物力。而火箭的发射软件出现了故障是导致试验失败的根本原因。由此可见，飞控软件的高可靠性和高准确性是飞行器得以正常飞行的重要指标4。在飞行器的研制过程中，飞控软件的研制需要依托于真实的硬件平台，用于飞控系统程序开发、测试、验证。而在项目的实际研制过程中，因项目周期的限制，不可能等飞行器硬件平台全部研制完成后，再开始飞控软件的开发。所以，需要一个特定的平台，作为一个飞行器的模拟器，它可以模拟提供飞行器飞行流程中飞控软件所有接收到的信息，并且可

17、以接收飞行过程中飞控软件对飞控系统的发出的所有的指令信息。此外，飞控软件和飞控软件半实物仿真平台的联试可以实现多次飞控软件的验证，使飞控软件的缺陷尽可能提前暴露出来，保证了飞控软件在系统飞行测试时的准确性。飞控软件半实物仿真平台所提供的虚拟环境缩短了整个飞行器的研制时间，保证了系统研制的高效性。1.2国内外研究现状纵观仿真技术的发展历程，主要经历了物理仿真模拟仿真数字仿真虚拟仿真四个阶段5。如今，虚拟仿真技术极强的直观性、交互性、生动性不仅将表达的内容清晰直观的表现出来，使分辨者快速的理解和接收信息。在这种技术的支持下先后产生动画仿真、虚拟现实仿真、可视交互性仿真等新型仿真技术。同时，这些发展

18、也将仿真理论和虚拟技术的发展推向一个新的台阶6。但是这并不意味着物理仿真、模拟仿真、数字仿真淘汰，而是众多仿真技术在科学技术中共同使用，将仿真技术发挥更大的作用。仿真技术按照其仿真平台的分类，可分为软件仿真、半实物仿真、物理仿真。半实物仿真是介于软件仿真和物理仿真之间的一种仿真模式，它将虚拟的软件仿真和实际的物理仿真综合运用于同一仿真中，并且综合了两者的优势于一身。相比于软件仿真，半实物仿真结合物理仿真的更为接近实际情况的优点，其结果更真实；相比于物理仿真，半实物仿真结合软件仿真可以节约成本的优点，节省了人力物力7。半实物仿真包括硬件在回路（HIL）和快速控制原型(RCP)两种形式8。各种仿真

19、模式都需要控制系统和被控对象才可以形成仿真回路，完成仿真功能。硬件在回路仿真指的是实际控制器加虚拟仿真对象组成的仿真形式，而快速控制原型则是虚拟控制器加实际的仿真对象组成的仿真形式。两者不同的仿真方式适用于不同的场合，硬件在回路仿真技术因其动态响应的时间更能接近实际情况的特点使该技术具有更高的可靠性，比较适合应用于设计中期的控制系统的仿真9；而快速控制原型因其可以快速设计模型的特点比较适合应用于设计初期的方案设计。两者仿真技术可以单独使用，也可以结合使用。当两种模拟方式共同使用时，是以如图1.1所示的V流程完成系统开发的。图1.1 V模式系统开发流程在国内，只有很少的一部分公司参与半实物仿真平

20、台的研制，但是大多都是和某些国家的顶级公司合作，并没有掌握核心技术。很多高校及研究院自主研制的半实物系统大多是在Windows系统的基础上，通过修改系统的硬件抽象层，拓展出一个RTSS实时子系统设计的基于RTX系统的半实物仿真平台10。西安电子科技大学研制了基于RTX技术的空空导弹的半实物仿真平台。南京航空航天大学研制了基于RTX的无人机飞行实时仿真系统11。这些平台大多针对性较强，通用性较差。德国dSPACE公司开发的半实物仿真平台MicroAoto Box II可用于许多不同的快速控制原型开发和硬件在环仿真环境，例如：传动系统、底盘控制、车身控制、高级驾驶辅助系统（ADAS）、电力驱动控制

21、、线控技术应用、航空航天应用12。如图1.2所示为dSPACE公司为了完成功能开发和实车测试研制的半实物仿真平台MicroAutoBox II。图1.2 MicroAutoBox II实物图MicroAutoBox II 作为半实物仿真平台是通过软硬件的结合实现的。在硬件方面，除了自身内部强大的处理器外，还集成了 FPGA ，解决了新应用场合中 I/O 要求各不相同的问题。设备外围配置的I/O口可以满足不同的客户需求，具有高度的模块性。MicroAutoBox II的软件设计过程中，它不需要设计人员编写代码，实时模块会在硬件上自动完成代码的编译、下载。此外，此平台可以在软件代码的编译过程中检查

22、中模型的潜在问题，便于及时更改。MathWorks开发软件支持MATLAB/Simulink/Stateflow的使用。模型的实时接口（RTI）为平台硬件和MathWorks开发软件的实时通信提供了通道，可以实现快速控制原型和硬件在环仿真两种功能。此平台虽广受好评，但因为本身价格昂贵且不支持其他厂商板卡，应用有限13-15。RT-Lab是由加拿大Opal-RT公司开发的仿真系统，它是一个可拓展的实时平台。RT-Lab可以通过其自身优势在最短的时间内，花费最低的成本完成仿真系统模型的搭建16。RT-Lab最大的优势是其拓展性超强，采用COTS技术和Host/Target结构，软硬件都支持多种工业

23、标准，为用户提供了一个较低的起点。此外，平台完全集成MATLAB/Simulink，可以与 MATRIXx/SystemBuild实现无缝连接。平台还集成了参数的控制接口和信号的可视化窗口，设计人员可以在仿真过程中根据信号的具体信息在线修改参数，增强了平台的仿真功能。此外，RT-Lab具有实时嵌入式系统分布式仿真的功能。RT-Lab的各种特点都增强其拓展性，扩大了平台的使用范围1718。同MicroAutoBox II相同，其昂贵的价格同样限制了它本身广阔的应用范围。本设计针对某航天科研院所研制的某飞行器的飞控软件，模拟该飞行器研制了专用的飞控软件仿真验证平台，不仅节约成本，而且可以积累技术，

24、方便后人的改进创新，不断完善，为我国的航天事业尽绵薄之力。1.3本文主要内容及章节安排本文采用模块化设计的方法完成了飞控软件的半实物仿真平台的硬件控制板卡的设计。除了介绍具体的硬件电路设计外，还对其FPGA控制逻辑进行了介绍。最后，完成了系统的全面测试和结果分析。主要内容具体完成由以下六章实现：第一章，绪论。首先结合飞控软件的测试背景阐述了半实物仿真平台的研究目的和意义。然后结合国内外发展情况，介绍了不同半实物仿真的优缺点。最后在本章末尾，介绍了本文的详细的章节安排。第二章，总体方案设计与分析。本章结合硬件在环仿真的系统构架，通过对平台的功能分析，完成了平台的总体方案的设计。在方案中对每个模块

25、的功能及系统参数设计完成了细化。第三章，平台硬件电路设计。本章详细介绍了串行通信板卡、模拟量/开关量输入板卡、模拟量/开关量输出板卡三大功能板卡的硬件设计以及CPCI总线控制模块、电源模块的硬件电路设计。第四章，FPGA逻辑设计。本章以FPGA作为主控制器，对串行通信模块、模拟量/开关量输入模块、模拟量/开关量输出模块、CPCI总线部分完成时序逻辑设计。其中包括重要信号的消抖、状态机的使用极其编码方式的选择、存储介质FIFO的使用和容量计算等技术。第五章，性能测试与验证。本章结合上位机软件针对三个模块通过不同的方法进行了测试，并且严格分析测试结果，证明了系统工作的稳定性和准确性。第六章，总结与

26、展望。本章通过总结飞控软件半实物仿真平台硬件控制板卡的设计过程，对设计中的不足与缺陷提出展望。2总体方案设计与分析硬件在环作为半实物仿真技术的主要技术之一，是通过实际控制器控制虚拟对象实现的。平台模拟了飞控系统的虚拟对象，实现了飞控软件的硬件在回路仿真。本章结合硬件在环仿真的系统构架，通过对平台的功能分析，完成了平台的总体方案的设计。2.1硬件在环仿真系统构架硬件在环仿真技术在应用于测控系统的测试时，因其具有实时仿真的优势备受关注。随着科学技术的发展，硬件在环仿真技术也是日新月异。目前国内外各种硬件在环仿真设备琳琅满目，但是这些设备的设计都遵循相同的框架结构。硬件在环仿真系统框架包括待测主体、

27、转接电路、仿真内核以及实时模拟仿真四部分组成19，如图2.1所示为硬件在环仿真框架图。图2.1 硬件在回环仿真系统框架待测主体指的是设计相对成熟的控制单元。它一般经过一定周期的前期研制以及测试，具有一定数量的对外接口，用于实现信息交互。转接电路指的是待测主体和仿真体系内核之间的转换电路。因待测体系的待测信号种类、电平高低各不相同，而主控单元通常使用单片机和FPGA等主控芯片，无法直接控制待测主体，需要加入转接电路完成两模块的通信，所以在此需要一些AD转换、放大等电路实现两模块的通信。此部分电路是整个仿真系统得以实现的桥梁。仿真内核为仿真体系的核心处理模块，它可以是任何起到主控作用的主控制器，小

28、到一个单片机，大到一个计算机系统。仿真内核是整个仿真体系的心脏。实时模拟仿真模块完成了整个仿真系统的最终目的。它是对之前一系列的工作的结果输出，使设计人员可以较为直观的看见仿真结果，例如各仿真软件、打印机等较为直观的表现信息的设备及工具。本文以飞控软件的硬件在环仿真为背景，介绍了硬件在环仿真的硬件体系的设计与实现，对应于此框架中转接电路和仿真内核两部分的设计。2.2平台功能简介飞控软件的半实物仿真平台用于模拟弹上设备，为飞控软件验证功能性能提供外部测试环境20。本设计中，飞控软件仿真平台需要模拟弹上的组合导航装置、无线接收机、中心程序器、地面测控系统、综合配电器、舵机控制器六个设备，完成其等效

29、功能的设计。其功能包括向飞控软件输出测试指令、组合导航信息、舵机反馈信息、检测电压等信息，接收飞控软件输出的时序控制信号、舵机控制信号及遥测信息等。飞控软件半实物仿真平台组成如图2.2所示。图2.2 飞控软件半实物仿真功能组成2.3系统总体方案设计硬件在环仿真的关键环节是设计相应的被控模型。飞控软件半实物仿真平台作为飞控软件的被控模型，包括硬件设计和实时软件设计两部分。硬件设计主要是完成平台信号的采集、输出以及与外界完成信号交互的端口设计，而实时软件的设计完成对信号的实时处理，为平台提供可视化窗口，提高了平台使用的便利性，使平台功能更强大。飞控软件半实物仿真平台软件功能主要完成弹体模型和组合导

30、航装置模型实时计算、模块卡等效平台功能软件和测发控软件三部分功能。其中，模型计算和模块卡功能等效软件在RTX8.1平台下开发，该模块可完成模型实时计算，功能卡的硬件资源实时访问和与弹载计算机实时通信，主要通过平台实时驱动程序的开发得以实现。测发控软件是在WindowsXP操作系统下VS2008环境开发，完成整个测发控流程和所有数据的存储，通过界面程序的开发得以实现。如图2.3飞控软件半实物仿真平台开发结构图。图2.3 飞控软件半实物仿真平台开发结构图平台的硬件体系设计是本文的重点内容，将各等效平台与外界交互的信号全部统计后，得出飞控软件仿真平台与外部设备通信具体信号如表2.1所示。表2.1 飞

31、控软件半实物仿真平台访问外设硬件资源序号等效功能平台所需硬件资源1组合导航装置2路RS232收发2无线接收机3路RS422收发3地面测控组合2路RS422/RS485收发4中心程序器1路RS422/RS485收发5综合配电器10路电压值输出（032V）、20路开关量输出、20路脉冲采样输入6舵机控制器8路模拟量输入（-10V+10V）、8路模拟量输出（-10V+10V）将以上信息整合归类后，平台与外界信号交互需开发的功能模块主要包括串行通信模块、模拟量/开关量输入模块和模拟量/开关量输出模块。将不同的信号放在三张不同板卡上，只需设计相应的电缆网便可实现飞控软件的验证功能。这样不仅简化设计，而且

32、节约人力物力，避免资源的浪费。此外，这种方法便于后期调试与性能拓展。平台硬件体系设计依据通用性原则，采用标准的8槽6U CPCI机箱作为硬件设计的平台，该机箱在硬件及软件方面具备一定可扩展性。平台硬件各模块卡均采用FPGA作为主控制器，在RTX环境下，通过CPCI总线与上位机完成实时通信。设计中，为保证冗余设计，串行通信板卡实现10路串行通信，包括4路RS422、4路RS422/RS485和2路RS232接口，其波特率、数据位、起始位、停止位软件可配置21；模拟量/开关量输入板卡实现20路模拟信号采集和30路脉冲信号采集，实现周期采集测试台外接口中所有模拟量和开关量状态，经滤波后送至实时处理模

33、块接收处理；模拟量/开关量输出板卡实现20路模拟电压输出和32路开关量输出，用于输出模拟量以及对开关量状态进行切换。此外，为保证硬件电路设计的准确性，对硬件电路的设计需要通过Multisim完成仿真及电路试验。在元器件选用过程中，对所选器件的参数必须了解充分，需要考虑冗余设计22，保证板卡设计的可靠性。各模块通过CPCI总线通信原理框图如图2.4所示。图2.4平台硬件原理框图3平台硬件电路设计飞控软件的硬件在环仿真设计中，平台的硬件设计是系统设计的核心之一。本章详细介绍了硬件在环仿真系统设计中转接电路的设计，包括串行通信板卡、模拟量/开关量输入板卡、模拟量/开关量输出板卡三大功能板卡的设计以及

34、CPCI总线控制模块、电源模块的硬件电路设计。3.1串行通信板卡设计串行通信可以分为同步串行通信和异步串行通信两种工作模式。同步串行通信需要发送和接收双方以相同频率以及相同相位的时钟通信，而这种方式必然降低了两个平台中系统性能较强平台的效率。而异步串行通信则以起始位作为数据传输的开始标志，以停止位作为数据传输的终止标志。这种通信方式可以在任意数据传输的空闲时刻开始，可以以任意速率传输，是不同平台之间一种比较理想的信号传输方式23。作为飞控软件的仿真平台，本设计中大量使用了异步串行通信，提供了弹载计算机与中心程序器、组合导航装置等平台的串行接口电路。为完成平台的串行通信，本设计的串行通信卡实现4

35、路RS422通信，4路RS422/RS485可选通信，2路RS232通信，其波特率、数据位、起始位、停止位可由测试软件配置。除系统功能要求的串行接口外，其余接口均为备用通信接口。串行通信模块卡原理框图如图3.1所示。图3.1串口接口通信模块卡原理框图串行通信模块卡设计过程中，为了资源的节约以及后期调试的方便，将此板卡分为RS422、RS422/RS485、RS232三个模块。为减小模块与模块之间的干扰，供电采用DC/DC隔离。3.1.1常用串行通信接口比较飞控软件仿真平台的串行通信板卡同时使用RS-232、RS-422与RS-485三种串行通信模式。这三种通信模式都是现在最流行的串行数据接口标

36、准，它们均由电子工业协会（EIA）制订并发布。RS-232，EIA-232-E标准。作为最初的传输数据接口标准，发布于1962年。作为保证不同产品兼容性的一种标准接口，它采用了点对点单端传输的传输方式。RS-232共模抑制能力较差，导致其传输速率比较低，最高速仅为20Kb/s，传输距离也较短，在最高速度时有效传输距离大约为15米。RS-422， TIA/EIA-422-A标准。作为RS-232的改良标准，优化了其传输速率和传输距离。RS-422将数据信号改为差分传输的方式，使传输速率与传输距离相较RS-232而言有大幅度提高，传输速率最高可达10Mb/s，传输距离最高可达4000英尺，约121

37、9米（速率低于100Kb/s时）。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。RS-422支持点对多通信，从设备之间不能相互通信。RS-485，TIA/EIA-485-A标准。RS-485为RS-422的进一步扩展标准，与RS-422一样，RS-485也为点对多的双向通信，支持的从设备从RS-422的10个增加到了32个，并且RS-485的驱动器可以向下兼容RS-422。三种接口电气特性对照如下表3.1所示。表3.1 三种接口电气特性对比表3.1.2串行通信硬件电路设计在串行通信卡的设计中，三个模块均采用MAX3160作为接口芯片，通过不同配置实现

38、RS-232、RS-422、RS422/RS485三种通信协议。MAX3160是可编程RS-232/RS-485/RS-422多协议收发器，可通过引脚设置为2Tx/2Rx RS-232接口或单路RS-485/422，传输速率分别高达l Mbps(RS232)和l0 Mbps(RS485/422)。MAX3160的接收器的输入端以及发送器的输出端均可承受±15kV静电冲击且收发器具有增强的静电放电(ESD)保护功能，具有保护电路的作用。芯片的工作模式的选择主要由RS485/引脚决定，当引脚为低电平时，芯片工作在RS232模式，此时，该芯片可以同时完成RS232各两路的信号的收发。当引脚

39、为高电平时，芯片工作在RS422/RS485模式，此时，可通过FPGA控制HDPLX的高低电平切换RS485和RS422模式的选择。因引脚HDPLX的高电平识别范围是大于2.4V，低电平识别范围是小于0.8V ，与逻辑电平相匹配，所以通过FPGA直接控制即可。若引脚HDPLX为低电平，芯片工作在全双工模式，若引脚HDPLX为高电平，芯片工作在半双工模式。在此状态下，芯片可完成RS422/RS485各一路信号的收发。MAX3160配置在RS232工作模式时，有两路RS232收发接口。引脚A/R2IN和引脚B/R1IN分别作为两路RS232信号的接收端，将转换后的两路逻辑电平信号通过引脚RO/R2

40、OUT和引脚R1OUT传输至FPGA。引脚DI/T1IN和引脚DE485/T2IN作为两路接收FPGA的逻辑电平的通道，并且将转换后的RS232信号通过引脚Z(B)/T1OUT和引脚Y(A)/T2OUT发送出去。接口电路如图3.2所示。图3.2RS232接口电路MAX3160工作在RS422/RS485模式时，引脚A/R2IN和引脚B/R1IN分别作为RS422/RS485信号的正向和反向信号接收端，将转换后的逻辑电平信号通过引脚RO/R2OUT传输至FPGA。引脚DI/T1IN作为接收FPGA的逻辑电平的通道，并且将转换后的RS422/RS485信号通过引脚Y(A)/T2OUT和引脚Z(B)

41、/T1OUT发送出去。接口电路如图3.3所示。图3.3RS422/RS485接口电路两种工作模式下，为保证异步串行通信的两平台之间的安全性，本设计在接口芯片和FPGA之间采用了光耦隔离。这样，即使其中一方发生例如短路等意外情况也可以保证另一方的安全性，提高了平台的可靠性。3.1.3差分传输网络失效保护MAX3160以差分方式接收信号时，是通过判断信号的接收引脚的正反向电平差识别信号的，当正向输入端高于反向输入端200mV时，为逻辑1；当反向输入端高于整向输入端200mV时，为逻辑0。但是，当信号传输完成时，MAX3160的信号接收端的电压之差回到0V，即接收器的未定义门限区域（-200mV+2

42、00mV）内，使接收器的接收电压到第三态，可能造成接收器输出状态的不可预测。此时，若在某些干扰情况下引起由高电平到低电平的跳变，会使芯片误认为起始信号的来临，而把真正的起始信号看做数据位，造成数据接收错误的现象。本设计中，在MAX3160的差分接收端加入偏置，使数据接收端在空闲时刻识别为一个确定的电平状态，起到网络失效保护的作用。在图3.3的信号接收端，加入的偏置值为1001K+100+1K×5V=0.238V,使接收器的空闲时刻保持在高电平状态，可以保证芯片准确判断起始信号的到来，提高数据接收的可靠性。3.1.4串行通信阻抗匹配信号传输过程中，时刻会遇到传输线缆或者其他元件的传输阻

43、抗。一旦传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配时，在负载端极易产生反射。反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状，形成驻波，导致传输线的有效功率容量降低，严重时甚至会损坏设备24。反射系数R和负载阻抗ZL、电缆的特性阻抗ZO之间的关系式为 式（3.1）由上式可知，负载阻抗和电缆的特性阻抗相等时，反射系数为0，最有利于信号的传输。为避免产生反射，负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等，这就是传输线的阻抗匹配。对于普通高频信号，传输线缆的特性阻抗一般为50，所以在此设计中的信号输出端，信号线均串联51电阻用于与电缆的特性阻抗的阻抗匹配。此外，当RS422和RS485的信号传输距离超过300米时，需要在其信

44、号的接收端分别并接一个100和120的电阻用于传输线缆的阻抗匹配。3.2模拟量/开关量输入板卡设计在飞控软件仿真平台中，模拟量/开关量输入板卡用于仿真接收弹载计算机的飞控软件对系统发出的模拟信号和指令信号。模块卡分为模拟量输入和数字量输入两个模块，原理框图如图3.4所示，该模块实现20路模拟量采集和36路脉冲信号采集功能。图3.4模拟量/开关量输入模块卡原理框图3.2.1模拟量线性隔离电路设计在飞控软件仿真平台中，需要完成对飞控软件输出的多路多种模拟量完成接收转换。若平台接收到飞控软件发出的高压信号，会对平台造成不可逆的破坏。在此设计中，需要对模拟信号进行适当的隔离。通常的信号隔离包括光电耦合

45、隔离和变压器隔离，因本设计中模拟量信号频率较低，对变压器隔离的电感要求较大，所以本文选用了线性光耦HCNR201作为本系统的隔离电路主要芯片。该芯片隔离电压高达5000V，频带宽度达1MHz，且非线性度仅有0.01，满足平台设计要求。如图3.5所示为本设计中光耦隔离的原理图。图3.5线性隔离原理图HCNR201内部主要由1个发光二极管和2个光敏二极管组成。在光耦隔离的原理图中，运放A1的主要作用为将采集的电压信号转换为电流信号输入给光耦隔离芯片，随后将输出的电流通过运放A2还原为电压信号输出。HCNR201中，If与I1、I2的线性系数K1、K2为： (式3.2)对于图中的输入部分，分析可知

46、(式3.3)可得： (式3.4)对于输出部分，有 (式3.5)可得： (式3.6)由于HCNR201的增益系数K1、K2的典型值为1，所以有： (式3.7)由上式可得，在使用HCNR201为光耦隔离芯片的条件下，要想实现信号的等比例线性传输，只需要将R3与R1的阻值相等即可。3.2.2模拟量采样电路设计本设计中模拟量采集模块采集到的模拟量10路-10V10V和10路032V共20路信号，每路信号的采样率均为2KSPS，共40KSPS，采样精度为16位。ANALOG公司的ADC转换器AD7667，采样位数为16位，最高采样率为1MSPS，温漂典型值为3ppm/，满足系统设计要求，故采用此芯片。在

47、此链路中需要使用两片16通道的模拟开关AD706切换实现轮循采样25。AD转换原理图如图3.6所示。图3.6 20路模拟量AD转换原理图如上图所示，在选通开关ADG706和AD7667之间加了一个电压跟随器，其原因是选通开关的容性负载驱动能力不足，而电压跟随器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，大大提高了输出端的带负载能力，保证了AD7667的输入信号的正确接收。电阻R233和电容C150又形成了AD8031的补偿网络，形成了一阶滤波器用于补偿，尽可能得避免因容性负载驱动不足引起的信号震荡的现象。3.2.3模拟信号幅值调理电路设计为使采集到的模拟量信号顺利完成AD转换，需将进入系统后的信号经调理模块

48、调理至AD7667的采样范围内。信号调理电路的运放采用ANALOG公司的ADA4522-2，一款双通道放大器，将模块设计中本应使用40路的单通道运算放大器的数量减半，有效节省了PCB布线面积。ADA4522-2还具有零漂移、低噪声、低功耗的特点，使模块在节约功耗的情况下提高了数据传输的准确性。ADA4522-2单电源供电时输入可以到0 V和轨到轨输出的放大器，并针对随时间、温度和电压条件变化的总精度进行了优化。单电源供电工作范围为4.5 V至55 V，双电源供电工作范围为±2.25 V至±27.5 V，能满足输入信号电压范围要求。模块采集到的两种模拟量分别为-10V10V和

49、032V。将032V信号调至02.5V，只需将输入电压分压至一定数值输入正向输入端即可，调理电路原理图如图3.7所示，经计算得出U1=1.215+1.2U0，得到输出范围为02.370V，通过Multisim仿真得到信号输出范围为同样结果。而将-10V10V信号调至02.5V，不仅需要经过比例放大电路，还需要加入直流偏置，将信号偏移至目标范围内，调理电路原理图如图3.8所示。信号输出范围为U1=(1+218)2.158.2+2.155V-218U0，得到的输出电压的范围在0.043V2.265V，通过Multisim仿真得到结果同上。两种信号经调理以后的输出范围均符合AD7667的采集范围内，

50、保证了信号的正确接收。此处电阻为分压电阻，精度及性能要求较高，所以在此使用的是GJB等级，阻值允许偏差为F（±1%内），阻值变化为K特性（长期试验时，阻值变化最大值为±（0.5%R±0.01），提高设计的可靠性。图3.7032V模拟量调理原理图图3.8 -10V10V模拟量调理原理图值得注意的是，图3.8提供直流偏置时引入的A5V，作为调理电路的重要组成信号，其准确性对于系统尤为重要。尽可能做到即使温度等环境因素变化时，5V直流信号也可以准确而稳定输出。RI-0505L作为常用的5V电压隔离芯片，准确度只有±5%，25时输出电压范围为4.75V5.25V

51、，随着温度的升高，准确度会更低，不可以作为该信号的供电芯片。此设计中采用的电压参考器MAX6065A具有高精度、低功耗的优点，输出电压范围为4.990V5.010V，保证了信号调理的准确性。此处若不便使用电压参考器，通过配置相应比例的分压电阻直接使用AD7667的REF脚产生的2.5V的内部参考电压，也是一个非常好的选择。3.2.4开关量输入电路设计开关信号的传输往往是不同平台之间的指令信号的传输，不仅关键，而且一个信号会经过两个平台。若平台因外界因素导致指令的错误发送，可能同时导致两个平台的损坏。为保证前后级平台的隔离，接口采用光耦接收，接口原理图如图3.9所示。图3.9有源开入接口电路开关

52、量的输入电压为2532V，中心电压为28V。光耦HCPL-0631的输入电流为515mA，所以在光耦的信号输入端串接一个3.3K的限流电阻，使输入电流保持在7.510 mA内，保证了光耦信号的正常接收。而在电路的接口处的一个电阻R17和一个电容C9也形成了一个一阶低通滤波器，可滤除信号中的干扰信号。在此情况下值得注意的是，当开关量的输入电压达到32V时，限流电阻的功率最高可达0.31W，所以此处至少应该选择额定功率为0.5W，即封装为1210的电阻才能满足设计要求。此外，在光耦的输入端应该反向并接一个二极管，用于保护光耦，防止前级平台出现故障时破坏光耦及后级电路。当28V+和28V-间有253

53、2V电压输入时，光耦4和3点之间有电流流过，其内部的二极管被点亮，光耦内部的光探测器接收后产生光电流，被三极管放大后输出，实现了电光电的转换过程。这种传输方式以光作为媒介传输，对光耦的输入及输出起到了有效地隔离作用。这种传输方式已广泛运用于数字电路中。3.3模拟量/开关量输出板卡设计在飞控软件仿真验证平台中，模拟量/开关量输出模块用于仿真发出弹载计算机的飞控软件需要接收的系统反馈的模拟信号和指令信号。模拟量/开关量输出模块卡原理框图如图3.10所示，实现20路模拟量输出和36路无源开关量输出。图3.10模拟量/开关量输出模块卡原理框图3.3.1模拟量输出电路设计平台的模拟量输出来源分为两部分：

54、一部分为飞控软件通过接收舵机指令反馈信号而发出的舵机控制指令，另一部分为通过上位机界面对通道配置的电压输出信号。这两种电压信号均由经D/A转换器成模拟量信号，再由信号调理模块将模拟信号调理至目标范围输出。D/A转换器选择ANALOG公司16位的AD768，精度为16位。运放同输入模块一样采用ANALOG公司的ADA4522-2，能满足输出信号电压范围要求。DA输出原理图如图3.11所示。图3.11 DA输出原理图在此设计中，AD768采用双极型配置。当输出连接到AGND时，AD768为电流输出型，所以转换电路首先采用运放AD811实现电流/电压转换，再进行电压的调理。在电流/电压转换之前，RE

55、FOUT输出的参考电压通过R178后产生的2.5mA的补偿电流（其值为最大反馈电流的一半）使得AD811的输出电压U0的边界值对称，其范围为-2.5V2.5V，经过反向比例放大电路后，输出电压U1范围为：U1=-R186R187U0=-6 U0，即-15V15V。将信号调理至此范围后，通过两片选通开关ADG506使20路模拟量均匀输出。20路模拟量从ADG506输出后，仅为一个脉冲，首先需要一个电容用于延长输出脉冲的时间，此电容若选取的过大，会导致电容在一定时间内无法完全放电，使得输出信号的电压降低；若选取的电容过小，无法保证输出信号的保持时间足够长。经实验得100pF最为合适，不仅可以保证信

56、号的保持时间，还可以保证电容完全放电。模拟量调理至合理范围后，通过电压跟随器才可输出。因为电压跟随器具有极高的输入阻抗，具有极低的输出阻抗，对于后级电路而言，电压跟随器相当于一个恒压源，后级电路阻抗变化对电压跟随器的输出电压几乎没有影响，极大的提高了系统的带负载能力。此外，电压跟随器还兼有隔离、缓冲作用，使前后级电路隔离开，也起到保护电路的作用。在信号的输出端，用稳压管将输出电压稳定在一定范围内，避免意外出现的瞬间高压破坏电路。如图3.12所示为某一路模拟信号调理输出原理图。图3.12模拟信号调理输出图3.3.2开关量输出电路设计开关量输出采用光耦继电器AQY212GS，光耦继电器是用光耦来控制开关状态的固态继电器，可以理解为光耦和可控硅的组合体。相比传统继电器，光耦继电器以光为媒介传输信号，输入端和输出端完全实现了电气隔离，对输入输出有良好的隔离作用26。此外，AQY212GS具有抗干扰能力强，工作稳定的优点。AQY212GS触点负载为60V/1A，耐压值1500V。开关量输出电路的接口电路如图3.13所示。图3.13开关量输出接口电路当FPGA输出为高电平时，AQY212GS的输入端1脚和2脚电压相等，无法将芯片内二极管点亮，输出端3脚输出为0V；当FPGA输出为低电平时，AQY212GS的输入端1