Mérésadatgyüjtő kártya tervezése

OData támogatás
Konzulens:
Lazányi János Gyula
Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék

Diplomatervem témája a National Instruments (NI) CompactRIO programozható automatizálásvezérlőjéhez egy nagysebességű, FPGA alapú, nagyfrekvenciás analóg mérésadatgyűjtő kártya, azaz egy I/O modul hardverének tervezése.

A CompactRIO egy nagy teljesítményű, grafikus rendszertervezéssel támogatott, beágyazott vezérlő és adatgyűjtő egység(Programmable Logic Controller, PLC vagy más néven Programmable Automation Controller, PAC ). Többféle bővítőmodullal rendelkezik (pl. szervomotor-vezérlőmodul, CAN kommunikációs modul, relés kapcsolómodul, PWM-modul), de még nagyfrekvenciás bővítőkártyával nem.

Jelenleg kapható CompactRIO modulok közül analóg jelek vizsgálatára a legmagasabb mintavételezési frekvencia 1~MS/s, azonban vannak olyan alkalmazások, ahol ez a mintavételi frekvencia nem elég, hanem nagyfrekvenciás mérőmodulra van szükség. Ilyenek például a radaros alkalmazások, modulációk vizsgálata, digitális jelfeldolgozás (Digital Signal Processing), 2.5G és 3G cellurális bázisállomás vevői, szatellit és GPS-vevő interfész. Jelenleg a CompactRIO rendszer nem rendelkezik ilyen nagyfrekvenciás egységgel, így a 250 MS/s-os mintavételezés jelentős újítás. Ezt a hiányterületet pótolandó, a dolgozat egy ilyen nagyfrekvenciás mérőmodul tervezését mutatja be.

A megvalósítás kétféleképpen történhet a nagy adatmennyiség miatt: vagy a mintavett adatokat decimálva, kisebb sávszélesség-igénnyel, valós időben a CompactRIO buszrendszerén keresztül küldjük a számítógép felé, ahol a feldolgozás történik, vagy pedig lementjük az adatokat és utólagosan dolgozzuk fel. A decimálás elvégezhető a modulon belül, a mentéshez pedig külső memóriára van szükség. A megoldás mindkét módot lehetővé teszi.

A modult mind szimmetrikus, mind aszimmetrikus bemenetre fel kell készíteni, melyek közti váltásra szolgál a nagyfrekvenciás relé, a skálázást pedig egy digitálisan vezérelhető erősítő végzi. A vezérlő feszültséget egy digitális-analóg átalakító (DAC) állítja elő. A változtatható erősítésű erősítőből megfelelő kondicionálás után szűrőkapcsoláson keresztül vezetve jut el a jel az analóg-digitális átalakítóba.

A választott, nagysebességű analóg-digitális átalakító csatornáin 0-2 Vpp feszültségtartományban 14 bites felbontásban tudunk jeleket mérni. A mintavételezett jel már digitális formában kerül egy FPGA-ba, ahonnan az adatok mentése a DDR3-es memóriába történik. Az FPGA teszi lehetővé az utólagos jelfeldolgozást, és küldi a feldolgozott adatokat az CompactRIO buszon keresztül a CompactRIO központi egységének, ami onnan Etherneten keresztül továbbküldi a számítógép felé. A kártya helyes működésének biztosításához többfokozatú tápellátásra van szükség.

Az FPGA elsődlegesen a működési frekvencia és a szükséges differenciális I/O lábszám alapján került kiválasztásra. További szempont volt az is, hogy beépített memóriavezérlő modulja is legyen. Ennek megfelelően a Spartan 6 XC6SLX75, FGG484-es tokozású FPGA kerül beépítésre.

A két féléves munkám során elkészítettem a rendszertervet, kiválasztottam a megfelelő alkatrészeket, véglegesítettem a kapcsolási rajzot, megismerkedtem a nagyfrekvenciás áramkörtervezéssel és elkészítettem a PCB tervet is. Az áramkör tervezése Mentor Graphics Pads 9.0.1 áramkörtervező programmal történt.

Letölthető fájlok

A témához tartozó fájlokat csak bejelentkezett felhasználók tölthetik le.