CN0584

硬件在环

CN0584可对昂贵、复杂或尚未开发的硬件进行硬件在环(HIL)仿真，简化并加速控制系统的开发与测试流程。图2展示了使用CN0584套件的典型HIL设置的总体方框图。

被测器件(DUT)--电子控制单元(ECU)是一种控制器，它能根据其所控制器件的模拟反馈输入，生成数字输出信号。CN0584可对加载了自定义硬件描述语言(HDL)的FPGA板卡所对应的器件进行仿真，从而实现对真实器件性能的实时仿真。

借助CN0584可开展多种HIL仿真，其中之一是对三相电机控制器的负载进行仿真。首先在Simulink^®中描述电机的运行特性，再通过该软件生成一个HDL模块，此模块可集成到CN0584的HDL模板中。

将此示例结合图2来看：ECU生成脉宽调制(PWM)控制信号，这些信号由模拟前端板上的三个通道进行调理，再由数据采集与信号生成板上的ADC转换为数字信号。基于这些输入信号，HDL硬件模型会对所模拟电机的各项参数进行仿真，例如电流消耗、转速、转动惯量和位置。这些参数会被转换为模拟信号，并回传至ECU；ECU随后形成闭环，根据该反馈调整其输出的PWM信号。

通过这种方式，可快速评估ECU在以下场景中的表现：正常工作条件、边界情况（例如电机的最大和最小负载）及各类故障模式。上述每种场景都能在仿真中快速实现，且无需额外成本，也不会对物理硬件造成损坏。

模拟测量与信号生成

输入电压范围

CN0584默认支持±10 V的模拟输入电压范围。此外，±5 V、±4.096 V、±2.5 V和±1.5 V这几种输入范围可通过硬件进行选择。

模拟输入保护

CN0584通过采用ADG5421F高压双单刀单掷(SPST)开 关 ，在所有四个ADC和DAC通道上提供模拟输入保护，可实现最高±60 V的过压保护。该保护功能对于存在高功率信号的HIL应用尤为重要，同时也能让用户无需担心接线错误或连接不当问题，从而便捷地调整或修改测试设置。

ADG5421F由+15 V和-15 V电源轨供电，若S1或S2引脚中的任意一个引脚电压超出上述任一电源轨电压VT (0.7 V)，该开关将自动关断。对于ADC而言，这些引脚连接至差分输入端口；对于DAC而言，这些引脚则连接至两个DAC通道的输出端口。

ADG5421F还具备故障标志(FF)功能，该故障标志信号会传 输至CN0585，并由MAX7301串行外设接口(SPI) 28端口I/O扩展器读取。该扩展器的SPI端口连接至FMC连接器，最终由FPGA板卡完成读取操作。在正常工作状态下，FF引脚保持高电平；但当检测到过压情况时，FF引脚会变为低电平，以此提示已发生故障。

输出电压范围

CN0584默认支持±10 V的模拟输出电压范围。此外，±5 V、0 V至+2.5 V、0 V至+5 V及0 V至+10 V这几种输出范围可通过硬件进行选择。需注意的是，若要让这些输出范围修改生效，还需更新寄存器设置，寄存器设置可通过提供的软件接口进行控制。

系统性能

延迟

图3展示了用于测量CN0584延迟的测试设置。通过FPGA从存储器中生成1 MHz脉冲正弦波，并将其传输至一个DAC输出通道。借助外部示波器对该DAC输出进行监测，同时通过超小型A型(SMA)线缆将该输出反馈至其中一个ADC通道，作为对应DAC通道的输入信号。使用同一台示波器测量该DAC通道的输出，从而能够对信号经过ADC输入路径、FPGA板卡和DAC输出路径的延迟进行测量。

图4展示了通过示波器捕获的CN0584输出延迟与建立时间。将CN0584的DAC输出设置为ADC输入模式后，向其中一个ADC通道输入施加一个脉冲信号，并对相应DAC通道输出进行监测。从测得的输入信号到DAC输出信号开始上升的延迟约为250 ns；其中，50 ns的延迟源于FPGA内部数据处理，剩余200 ns的延迟则来自ADC数据捕获与DAC更新过程。

模拟输入性能

CN0584的模拟信号采集路径具备极高的无杂散动态范围(SFDR)。图5展示了在采样率为15 MSPS、输入信号为1 kHz ±10 V的正弦波条件下，对ADC数据进行16K点快速傅里叶变换(FFT)的结果。CN0584的SFDR可达105 dB，该指标主要受三次谐波影响；在整个7.5 MHz的输入频率范围内，所有其他杂散信号均低于120 dBc。

图6展示了频率范围扩展至1 MHz的相同频谱图；结果显示，在此范围内不存在其他幅度超过-120 dBm的谐波或杂散信号。

图7展示了ADC的输入频率响应。

输出滤波

每个DAC的输出端均设有一个低通滤波器。图8展示了在将ADC输出作为DAC输入的情况下，该滤波器在7.5 MHz范围内测得的频率响应。

图9展示了输出路径的频率响应；测试时，通过软件生成理想波形，将其加载到循环缓冲区中，再写入DAC。与完整的环回测量相比，本图中的衰减略小，这是因为完整环回测量需将样本传输至FPGA并返回，而本测试的延迟更低。

电源架构

CN0584的所有供电均由CN0585通过模拟前端(AFE)连接器提供。

CN0584使用+15 V和-15 V电源轨，为ADG5421F输入保护开关提供正负供电电压；+12 V和-12 V电源轨为ADA4898-1ADC缓冲放大器提供正负电源电压；+3.3 V电源轨为电可擦可编程只读存储器(EEPROM)电路供电。

软件概述

Python

CN0584可通过pyADI-IIO库与Python进行交互，该库支持器件配置、从ADC捕获输入样本，并可生成需由DAC传输的波形。随后，用户可基于ADC数据对输出波形进行预处理或后处理，从而快速便捷地实现控制回路，或对其他硬件进行仿真。

图11展示了用于分析的实测输入波形，绘制了图10中生成的正弦波。从ADC读取的样本经过处理后，可作为输入传递至用户基于Python实现的算法中，这些算法可用于控制回路、硬件仿真，或其他任何所需的反馈系统。

MATLAB和Simulink

MATLAB^®同样可通过高速转换器工具箱与CN0584进行交 互，其支持的功能集与上文所述的Python功能基本一致。除此之外，还能利用Simulink^®创建自定义HDL模型，将其加载至FPGA，并通过CN0584实现实时运行。用户可借助现有的Simulink模型或自定义算法，实现控制系统、对实测信号执行数字信号处理(DSP)操作，或仿真硬件功能。

图12展示了在CN0584方框图中，以“接收+发送”双模式插入的Simulink模型的放置。这意味着：ADC捕获的样本会流经该HDL模型并存储到存储器中，而DAC的输出样本也会流经该HDL模型，最终通过CN0584输出。HDL模型也可仅以“接收模式”或“发送模式”插入，两种模式分别仅支持访问ADC输入信号或DAC输出信号。

对于所有插入的接收信号路径模型，经过处理后的样本可通过Python或MATLAB®调用，也可使用IIO示波器软件查看。