对转台速率校准卡SPI接口的开发和利用
引言
转台是检测、校验陀螺必不可少的设备。由于有不同种类、不同功用的陀螺，出现多种型号的转台。除了极少数的高精度转台（惯导级的）具有速率输出校准装置，其余绝大多数是中低精度转台，都没有速率输出接口。鉴于陀螺的重要性，对转台的主要指标速率进行校准是很有必要的。因为转台的总体存量很大，型号各异，所以研制一套通用的转台速率校准装置有着重大的意义。本课题采用高精度速率陀螺直接标定中低精度转台的速率，配合计算机技术进行补偿和拟合，可以简便易行地实现对多种转台的速率校准。用于转台速率较准的测试原理如图1。本文介绍的是转台校准装置中的核心模块转台速率校准卡的设计。
图1 转台速率校准原理图
1 整体设计 转台速率校准卡的结构框图如图2所示。整个转台速率校准卡主要由spi接口电路、数据采集电路、数字隔离电路、无线传输电路和电平转换电路几部分组成。
spi接口电路是由cpld器件组成，负责pc104处理器与具有spi总线的外围设备进行数据交换。数据采集和数字隔离电路，是由a/d转换器、基准电压源和数字隔离模块组成，负责将速率陀螺输出的模拟信号通过高精度的a/d转换器转换成数字信号，并将数字信号进行数字隔离，隔离后的数据通过spi接口送入主处理器。无线传输和电平转换电路，是由无线传输模块、电平转换器以及电源模块构成，电路负责将送入内存的高精度速率陀螺的数据，通过无线传输模块的发射，传送给地面的计算机，并运用软件对数据进行分析和处理。
图2 转台速率校准卡的结构
2 spi接口电路 2．1 基于cpld器件的spi设计结构 在总线接口电路的设计中，采用了具备在系统可编程能力的复杂可编程逻辑器件cpld取代传统的标准逻辑电路。基于cpld设计的spi接口其目的在于为pc104的处理器扩展spi接口的功能。能够实现pc104总线与spi总线之间的通信。
为了满足扩展spi接口功能，基于cpld的spi接口必须具有以下功能：①与pc104总线的接口功能；②多位外部从机选择功能；③时钟极性和相位选择不同，有四种传输模式功能；④spi数据传送完成标志。在spi接口中，我们采用的芯片是epm7128slc-84，它的i/o接口被定义为spi接口的控制线、数据线和地址线等。spi接口的结构框图如图3所示。在我们设计的速率校准卡的spi接口中，状态端rdy和片选端cs已经够用。如果外部有更多的spi接口模块，我们可以通过软件的编程与设置，扩展更多的状态端rdy和片选端cs，并共用时钟线和数据线，实现扩展具有spi接口的外部设备。
图3 spi接口的结构框图
2．2 软件设计 pc104的处理器通过cpld的spi接口，实现了spi接口的扩展。其系统软件设计主要包括两部分。第一部分是spi接口功能电路的vhdl语言软件设计，该软件设计是利用maxplusⅱ开发的软件平台开发的。该软件的编程是采用层次化设计的方法。顶层中包括两大模块，即：pc104接口模块和spi接口模块。在pc104接口模块中建立了接口中各寄存器的地址和构造了各寄存器。在spi接口模块中又包括spi控制模块、spi逻辑模块、spi移位接收模块和spi移位发送模块等。第二部分是pc104处理器与spi接口之间通信的软件设计，在这一部分中，我们使用的cpu的主板是基于pc104总线的hxl/dx-440，由于它的基本配置相当于486计算机的主板，因而可以很方便的使用dos操作系统，利用c语言来实现对spi接口中数据传送完成位的检测、对cpld中各寄存器的读写操作以及对模数转换器送入的数据进行计算和处理。
3 数据采集与隔离电路 数据采集与隔离电路的结构框图如图4所示，其核心是ad7732和adum1401。ad7732是ad公司采用∑-⊿技术产生的24位串行模数转换器，模拟输入通道在ad7714的基础上作了较大改进，可用于高频小信号的测量。adum1401是一种新的icoupler数字隔离器，它采用平面磁场专利隔离技术实现隔离，该芯片能够替代光电耦合器。其主要优点在于：①不需要使用多个分立器件，仅用一个单芯片就实现了多通道数字隔离；②与现在普遍使用的光电耦合器相比，其印制电路板（pcb）面积缩小60％，功耗降低98％；③不需要驱动led的外部电路；④具有比光电耦合器更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力；⑤在同一芯片内提供正向和反向通信通道。
ad780是高精度的参考电压源，它为ad7732提供2.5v基准电压。陀螺输出的模拟电压接入ad7732的输入端，通过a/d转换器的模数转换，以spi串行数据的格式输出。为了提高系统的稳定性与a/d转换器的精度，在a/d转换器与spi接口间加入了数字隔离器adum1401，试验表明隔离器的加入能够提高模数转换器的精度以及对外界的抗干扰性。电路中用了两片adum1401，是因为adum1401是两入两出的4通信通道隔离器，而我们设计的是对5个信号的数字隔离。
图4 数据采集与隔离电路的结构框图
4 无线传输与电平转换电路 无线传输与电平转换电路结构框图如图5所示。其核心是nrf2401，它是无线收发一体芯片，都工作在2.4ghz自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。nrf2401支持多点间通信，最高传输速率超过1mbit/s。它采用soc方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。
nrf2401的电源电压范围为1.9～3.6v，利用主板上的+5v电源，通过mic2937a将电压转换为3.3v，为nrf2401提供电源电压。我们利用的电平转换器cd4504（ttl–cmos或cmos，–cmos），是为了使系统的+5v的电平信号与无线传输的+3.3v电平信号之间的转换，以便使系统能够与无线模块间进行通信。
5 结束语 开发的便携式转台速率校准卡能对中低精度转台的速率进行标定，并取得了良好的效果，解决了中低精度转台没有校准装置的问题。同时通过使用cpld对spi接口的开发和利用，使我们学习到只要对本文所介绍的spi接口的设计方法作适当的变换，就能用于哪些没有spi接口功能的处理器和控制器。从而能够为那些没有spi接口功能的处理器和控制器扩展spi接口电路，来实现与具有spi总线的外围设备进行数据交换。
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图1 转台速率校准原理图
1 整体设计 转台速率校准卡的结构框图如图2所示。整个转台速率校准卡主要由spi接口电路、数据采集电路、数字隔离电路、无线传输电路和电平转换电路几部分组成。
spi接口电路是由cpld器件组成，负责pc104处理器与具有spi总线的外围设备进行数据交换。数据采集和数字隔离电路，是由a/d转换器、基准电压源和数字隔离模块组成，负责将速率陀螺输出的模拟信号通过高精度的a/d转换器转换成数字信号，并将数字信号进行数字隔离，隔离后的数据通过spi接口送入主处理器。无线传输和电平转换电路，是由无线传输模块、电平转换器以及电源模块构成，电路负责将送入内存的高精度速率陀螺的数据，通过无线传输模块的发射，传送给地面的计算机，并运用软件对数据进行分析和处理。
图2 转台速率校准卡的结构
2 spi接口电路 2．1 基于cpld器件的spi设计结构 在总线接口电路的设计中，采用了具备在系统可编程能力的复杂可编程逻辑器件cpld取代传统的标准逻辑电路。基于cpld设计的spi接口其目的在于为pc104的处理器扩展spi接口的功能。能够实现pc104总线与spi总线之间的通信。
为了满足扩展spi接口功能，基于cpld的spi接口必须具有以下功能：①与pc104总线的接口功能；②多位外部从机选择功能；③时钟极性和相位选择不同，有四种传输模式功能；④spi数据传送完成标志。在spi接口中，我们采用的芯片是epm7128slc-84，它的i/o接口被定义为spi接口的控制线、数据线和地址线等。spi接口的结构框图如图3所示。在我们设计的速率校准卡的spi接口中，状态端rdy和片选端cs已经够用。如果外部有更多的spi接口模块，我们可以通过软件的编程与设置，扩展更多的状态端rdy和片选端cs，并共用时钟线和数据线，实现扩展具有spi接口的外部设备。
图3 spi接口的结构框图
2．2 软件设计 pc104的处理器通过cpld的spi接口，实现了spi接口的扩展。其系统软件设计主要包括两部分。第一部分是spi接口功能电路的vhdl语言软件设计，该软件设计是利用maxplusⅱ开发的软件平台开发的。该软件的编程是采用层次化设计的方法。顶层中包括两大模块，即：pc104接口模块和spi接口模块。在pc104接口模块中建立了接口中各寄存器的地址和构造了各寄存器。在spi接口模块中又包括spi控制模块、spi逻辑模块、spi移位接收模块和spi移位发送模块等。第二部分是pc104处理器与spi接口之间通信的软件设计，在这一部分中，我们使用的cpu的主板是基于pc104总线的hxl/dx-440，由于它的基本配置相当于486计算机的主板，因而可以很方便的使用dos操作系统，利用c语言来实现对spi接口中数据传送完成位的检测、对cpld中各寄存器的读写操作以及对模数转换器送入的数据进行计算和处理。
3 数据采集与隔离电路 数据采集与隔离电路的结构框图如图4所示，其核心是ad7732和adum1401。ad7732是ad公司采用∑-⊿技术产生的24位串行模数转换器，模拟输入通道在ad7714的基础上作了较大改进，可用于高频小信号的测量。adum1401是一种新的icoupler数字隔离器，它采用平面磁场专利隔离技术实现隔离，该芯片能够替代光电耦合器。其主要优点在于：①不需要使用多个分立器件，仅用一个单芯片就实现了多通道数字隔离；②与现在普遍使用的光电耦合器相比，其印制电路板（pcb）面积缩小60％，功耗降低98％；③不需要驱动led的外部电路；④具有比光电耦合器更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力；⑤在同一芯片内提供正向和反向通信通道。
ad780是高精度的参考电压源，它为ad7732提供2.5v基准电压。陀螺输出的模拟电压接入ad7732的输入端，通过a/d转换器的模数转换，以spi串行数据的格式输出。为了提高系统的稳定性与a/d转换器的精度，在a/d转换器与spi接口间加入了数字隔离器adum1401，试验表明隔离器的加入能够提高模数转换器的精度以及对外界的抗干扰性。电路中用了两片adum1401，是因为adum1401是两入两出的4通信通道隔离器，而我们设计的是对5个信号的数字隔离。
图4 数据采集与隔离电路的结构框图
4 无线传输与电平转换电路 无线传输与电平转换电路结构框图如图5所示。其核心是nrf2401，它是无线收发一体芯片，都工作在2.4ghz自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。nrf2401支持多点间通信，最高传输速率超过1mbit/s。它采用soc方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。
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