專利名稱：一種采用usb接口的便攜式振動(dòng)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振動(dòng)試驗(yàn)的控制器，具體的說，涉及的是一種采用通用串行總線USB(Universal Serial Bus)接口的便攜式振動(dòng)控制器。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，尤其是國防工業(yè)的發(fā)展，對(duì)設(shè)備的可靠性要求越來越高，在這種背景下，以振動(dòng)試驗(yàn)為核心的可靠性試驗(yàn)獲得了廣泛地應(yīng)用。振動(dòng)試驗(yàn)是在振動(dòng)臺(tái)上模擬產(chǎn)品實(shí)際工作狀態(tài)下的振動(dòng)環(huán)境，其中控制器的作用就是使振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生所規(guī)定的振動(dòng)。因此，可以通過振動(dòng)試驗(yàn)及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料及制造工藝上的缺陷，暴露產(chǎn)品的早期故障，為產(chǎn)品的完善提供依據(jù)。一般現(xiàn)有的振動(dòng)控制系統(tǒng)都采用主從式結(jié)構(gòu)，振動(dòng)控制器與PC進(jìn)行連接，控制器主要完成控制任務(wù)，PC完成參數(shù)設(shè)置、波形顯示、數(shù)據(jù)分析，另外也參與部分?jǐn)?shù)字信號(hào)處理任務(wù)等等。目前使用的控制器不夠靈活輕便，控制器大都采用基于PCI總線的插卡方式與PC進(jìn)行通信，控制器被包含在PC機(jī)箱內(nèi)。由于PC機(jī)箱空間有限，因此限制了系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展，同時(shí)機(jī)箱內(nèi)噪聲較大，對(duì)控制板的干擾影響顯著。另外與PC緊密結(jié)合，需要依賴PC的性能，使用和維修不夠靈活便利。同時(shí)目前使用的控制器中采用早期的處理器芯片，限制了系統(tǒng)性能的提高。中國專利87107034.0“數(shù)字隨機(jī)振動(dòng)控制系統(tǒng)(或方法)及其設(shè)備”和87107035.9“數(shù)字隨機(jī)振動(dòng)控制均衡方法及其控制系統(tǒng)和設(shè)備”提出了隨機(jī)振動(dòng)控制的方法和設(shè)備。使用的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器精度是12位的，使用的處理器是低端的DSP芯片，另外微機(jī)參與了絕大部分信號(hào)處理的任務(wù)，在此硬件架構(gòu)下，系統(tǒng)性能不夠理想，速度慢，精度低，動(dòng)態(tài)范圍小，性能難以提高，使用和維修都不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于通用串行總線(USB)的振動(dòng)控制器，控制器完全獨(dú)立于PC，由控制器獨(dú)立完成閉環(huán)控制的任務(wù)，PC不參與數(shù)字信號(hào)處理的任務(wù)，對(duì)PC要求較低，能達(dá)到很高的性能，同時(shí)控制器可以即插即用，可以以一個(gè)USB外設(shè)接入任何一臺(tái)PC，使用靈活方便。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種采用USB接口的便攜式振動(dòng)控制器，包括一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊、一個(gè)信號(hào)處理模塊、一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、一個(gè)信號(hào)輸出模塊和一個(gè)邏輯控制模塊，其特征在于所述的邏輯控制模塊分別與所述的數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和信號(hào)處理模塊相連接；所述信號(hào)處理模塊采用2片浮點(diǎn)DSP芯片，并連接一個(gè)USB通信模塊；所述的數(shù)據(jù)采集模塊采用雙通道數(shù)據(jù)采集模塊。
上述的雙通道數(shù)據(jù)采集模塊由2個(gè)可編程增益放大器、2個(gè)抗混疊濾波電路和2片24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)ADS1271組成，作為ADC的驅(qū)動(dòng)差分運(yùn)放OPA1632通過差分信號(hào)線和ADS1271相連，ADS1271通過其SPI接口連接到邏輯控制模塊。
上述的信號(hào)處理模塊是由2片TI公司的TMS320C6713B DSP芯片組成，雙DSP并行處理，兩片DSP通過多通道緩沖接口(McBSP)相連接。
上述的信號(hào)輸出模塊由24位的D/A轉(zhuǎn)換器CS4351、平滑濾波電路和可編程衰減器組成，D/A轉(zhuǎn)換器CS4351通過I2S接口和邏輯控制模塊相連，可編程衰減器CS3310通過用三線串行控制接口和D/A轉(zhuǎn)換器CS4351相連。
上述的USB通信模塊的核心芯片是EzUSB FX2系列芯片CY7C68013A，通過USB芯片本身具有的GPIF接口與兩個(gè)DSP的HPI口相連，而EEPROM芯片AT24C64中存放固件程序，通過I2C接口連接到USB芯片。
上述的各組成單元的工作原理如下所述的雙通道數(shù)據(jù)采集模塊是采集來自加速度傳感器的兩路振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過程控放大電路和濾波電路后送入兩片24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
所述的信號(hào)處理模塊是基于雙片浮點(diǎn)DSP的硬件電路，一個(gè)DSP在前端負(fù)責(zé)兩通道數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理和D/A通道信號(hào)的輸出；另一DSP在后端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的控制運(yùn)算、與外界USB通信工作，雙DSP之間通過DSP所提供的串口進(jìn)行消息和數(shù)據(jù)的傳輸。
所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于存放部分執(zhí)行代碼和存放系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)候的數(shù)據(jù)。
所述的信號(hào)輸出模塊主要由24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)構(gòu)成，信號(hào)經(jīng)過濾波和程控衰減后輸給功率放大器驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)。
所述的邏輯控制模塊由FPGA組成，完成板極的邏輯粘合，同時(shí)完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出的控制和緩沖。
所述的USB通信模塊由USB控制芯片和EEPROM芯片構(gòu)成，USB接口電路負(fù)責(zé)DSP硬件板與上位PC之間的數(shù)據(jù)通訊。
所述的PC是普通的個(gè)人計(jì)算機(jī)，PC用于向控制板下載執(zhí)行代碼，同時(shí)對(duì)控制器上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示和存儲(chǔ)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著效果振動(dòng)控制器采用USB接口實(shí)現(xiàn)與PC通訊，即插即用，移動(dòng)和攜帶十分方便；控制器獨(dú)立于PC，可以使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高；采用了高性能硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了控制器，其中采用24位ADC和DAC實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，極大的提高了系統(tǒng)的精度和動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)系統(tǒng)的擴(kuò)展升級(jí)很方便；采用兩片浮點(diǎn)DSP進(jìn)行并行運(yùn)算和處理，減少了閉環(huán)控制時(shí)間，增強(qiáng)了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖；圖2是雙通道數(shù)據(jù)采集模塊連接圖；圖3是DSP和USB芯片的連接圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例如下述采用USB接口的便攜式振動(dòng)控制器，如圖1所示，包括一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊1、一個(gè)信號(hào)處理模塊3、一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊2、一個(gè)信號(hào)輸出模塊6、一個(gè)邏輯控制模塊5、一個(gè)USB通信模塊4。
參見圖2，上述的數(shù)據(jù)采集模塊1核心包括2個(gè)可編程增益放大器11、2個(gè)抗混疊濾波電路12和2個(gè)TI(德州儀器)公司A/D轉(zhuǎn)換器ADS1271(13)。在該模塊1中，采集兩路振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過電荷放大器后送入可編程增益放大器PGA103U(11)中，PGA103U可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行1，10，100倍的放大，MAX293模擬濾波器(12)作為低通濾波器濾除高頻信號(hào)，可以通過調(diào)節(jié)外接電容的大小來改變?yōu)V波器的截止頻率適應(yīng)不同的要求。OPA1632作為ADC的驅(qū)動(dòng)運(yùn)放，把信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，滿足ADS1271(13)全差分信號(hào)輸入的要求，增強(qiáng)抗干擾能力。ADS1271(13)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換作用，24位的分辨率使系統(tǒng)有很高的精度和動(dòng)態(tài)范圍。
參見圖1，上述的信號(hào)處理模塊3包括兩個(gè)TI公司TMS320C6713B浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，主頻為225M，兩片DSP并行運(yùn)算處理，獨(dú)立完成閉壞控制任務(wù)。其中一片完成數(shù)據(jù)采集、初步處理、數(shù)據(jù)輸出，另一片完成核心的控制功能，同時(shí)把實(shí)時(shí)處理得到的數(shù)據(jù)通過USB傳遞給PC進(jìn)行顯示、分析和存儲(chǔ)等。兩片DSP通過各自的多通道緩沖串口(McBSP)進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互傳遞。
上述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊2由4片ISSI公司的SRAM(靜態(tài)存儲(chǔ)器)IS61LV51216構(gòu)成，單片容量是512K×16bit(即8M bit)，每個(gè)DSP外接兩片SRAM，滿足運(yùn)行程序與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的需要。DSP的EMIF(外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口)可以和SRAM進(jìn)行無縫連接，兩片SRAM接在每個(gè)DSP的CE0空間。
上述的信號(hào)輸出模塊6核心包括Cirrus Logic公司24位D/A轉(zhuǎn)換器CS4351(61)、平滑濾波電路62和可編程衰減器63。經(jīng)過DSP處理過的數(shù)據(jù)存在SRAM中，在FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)控制下送入數(shù)摸轉(zhuǎn)換器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，以O(shè)PA4132運(yùn)算放大器為核心濾波電路對(duì)模擬信號(hào)平滑濾波，經(jīng)過Cirrus Logic公司的可編程衰減器CS3310(63)后，信號(hào)被送入功率放大器驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)。
上述的邏輯控制模塊5由Altera公司Cyclone系列FPGAEP1C6構(gòu)成，F(xiàn)PGA輔助DSP進(jìn)行I/O的擴(kuò)展、完成時(shí)鐘的分頻、采樣和激勵(lì)數(shù)據(jù)的緩沖以及板極的粘合等邏輯功能。
USB通信模塊4的核心芯片是Cypress公司的EzUSB FX2系列芯片CY7C68013A，該系列芯片已經(jīng)將協(xié)議硬件化，簡(jiǎn)化了USB接口的開發(fā)。如圖3所示，通過USB芯片本身具有的GPIF接口與兩個(gè)DSP的HPI(Host Port Interface)口相連，在不干擾DSP的情況下，可進(jìn)行大批量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。在EEPROM芯片AT24C64中存放USB固件程序，其容量為64Kbit，上電后通過I2C總線固件會(huì)自動(dòng)地從外部EEPROM存儲(chǔ)器中的下載到FX2的內(nèi)置RAM中，在FX2復(fù)位后便開始執(zhí)行這一程序代碼。
本發(fā)明工作時(shí)，可以進(jìn)行正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊振動(dòng)試驗(yàn)。首先在PC上安裝控制器的上位機(jī)軟件和驅(qū)動(dòng)程序，把控制器和PC通過USB線連起來后啟動(dòng)電源。在PC上打開試驗(yàn)軟件，根據(jù)要求可以選擇正弦、隨機(jī)或者沖擊試驗(yàn)，然后進(jìn)入試驗(yàn)界面。系統(tǒng)界面分為命令控制面板，參數(shù)顯示面板、設(shè)定波形顯示部分及實(shí)時(shí)信號(hào)顯示部分。根據(jù)試驗(yàn)要求，按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定好參數(shù)后，把執(zhí)行程序下載到控制器中，接著在控制面板中進(jìn)行檢測(cè)、開始、停止等操作。在開始試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)加速度傳感器獲取振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過電荷放大器后送入數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行處理，信號(hào)經(jīng)過放大、濾波和差分后轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)處理模塊進(jìn)行DSP算法的運(yùn)行，處理完畢后送入信號(hào)輸出模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，濾波和衰減后送入功率放大器，功放驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)，同時(shí)控制器把實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)通過USB通信模塊上傳到PC進(jìn)行顯示和分析，這樣就完成一次閉環(huán)控制。依次循環(huán)，控制器對(duì)振動(dòng)波形不停地修正，最終在容差范圍內(nèi)，振動(dòng)臺(tái)面上的振動(dòng)波形逼近參考值。試驗(yàn)完畢后就可以查看和存儲(chǔ)試驗(yàn)報(bào)告。
權(quán)利要求
1.一種采用USB接口的便攜式振動(dòng)控制器，包括一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊(1)、一個(gè)信號(hào)處理模塊(3)、一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(2)、一個(gè)信號(hào)輸出模塊(6)和一個(gè)邏輯控制模塊(5)，其特征在于所述的邏輯控制模塊(5)分別與所述的數(shù)據(jù)采集模塊(1)、信號(hào)輸出模塊(6)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(2)和信號(hào)處理模塊(3)相連接；所述信號(hào)處理模塊(3)采用2片浮點(diǎn)DSP芯片，并連接一個(gè)USB通信模塊(4)；所述的數(shù)據(jù)采集模塊(1)采用雙通道數(shù)據(jù)采集模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用USB接口的便攜式振動(dòng)控制器，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集模塊(1)由2個(gè)可編程增益放大器(11)、2個(gè)抗混疊濾波電路(12)和2片24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)ADS1271(13)組成，作為ADC(13)的驅(qū)動(dòng)差分運(yùn)放OPA1632通過差分信號(hào)線和ADS1271相連，ADS1271通過其SPI接口連接到邏輯控制模塊(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用USB接口的便攜式振動(dòng)控制器，其特征在于所述的信號(hào)處理模塊(3)是由2片TI公司的TMS320C6713B DSP芯片組成，雙DSP并行處理，兩片DSP通過多通道緩沖接口(McBSP)相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用USB接口的便攜式振動(dòng)控制器，其特征在于所述的信號(hào)輸出模塊(6)由24位的D/A轉(zhuǎn)換器CS4351(61)、平滑濾波電路(62)和可編程衰減器(63)組成，D/A轉(zhuǎn)換器CS4351(61)通過I2S接口和邏輯控制模塊(5)相連，可編程衰減器CS3310(63)通過用三線串行控制接口和D/A轉(zhuǎn)換器CS4351(61)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用USB接口的便攜式振動(dòng)控制器，其特征在于所述的USB通信模塊(4)的核心芯片是EzUSB FX2系列芯片CY7C68013A，通過USB芯片本身具有的GPIF接口與兩個(gè)DSP的HPI口相連，而EEPROM芯片AT24C64中存放固件程序，通過I2C接口連接到USB芯片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用USB接口的便攜式振動(dòng)控制器。它包括雙通道數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、信號(hào)輸出模塊、邏輯控制模塊、USB通信模塊。本發(fā)明采用了兩片浮點(diǎn)DSP和24位ADC/DAC的高性能硬件架構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的處理，減少了閉環(huán)控制時(shí)間，增強(qiáng)了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)范圍大，精確度高，同時(shí)采用USB接口實(shí)現(xiàn)與PC通信，即插即用，移動(dòng)和攜帶十分方便。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101046685SQ20071003742
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2007年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月9日
發(fā)明者陸徐平, 楊吳冰, 李渝曾, 陸明 申請(qǐng)人:上海大學(xué)