董勝飛 ，石云波 ，陳艷香 ，智 丹 ，楊志才

（1.中北大學 電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室，太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051；3.中北大學 儀器與電子學院，太原 030051）

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，為了攻擊如機場跑道、機庫、航母和高級指揮要地等各種高強度、綜合防護的高價值目標，相繼出現(xiàn)一系“智能型”的鉆地彈藥。為了實現(xiàn)彈體在到達對目標的最大毀傷效果時引爆，就要求彈載電子裝置既能識別不同層次目標，又能抵抗不同軟硬防護層產(chǎn)生的多次高過載沖擊。因此，要使引信在高沖擊下適時作用，就必須現(xiàn)場測試侵徹過程中的加速度信號[1-3]。

目前，現(xiàn)有的侵徹加速度測試技術(shù)仍以彈載存儲測試技術(shù)較為先進。這種測試方式能記錄膛內(nèi)發(fā)射、出膛飛行和侵徹穿靶整個過程中的實時加速度，為彈體強度設(shè)計、引信可靠性設(shè)計、戰(zhàn)斗部安全性等各方面的分析提供準確直接的依據(jù)[4]。

文中提出一種基于FPGA和INA827的侵徹加速度信號采集系統(tǒng)的設(shè)計方案，用于彈體侵徹試驗中，3軸MEMS加速度傳感器電壓信號的采集存儲。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)采用Xilinx公司FPGA芯片XC2S30作為主控單元，完成數(shù)據(jù)采集、存儲和傳輸?shù)臅r序控制。XC2S30擁有24 KB的雙口RAM，216個可編程邏輯模塊，I/O口數(shù)量達到60個，豐富的I/O資源能對FPGA靈活配置，采用低功耗2.5 V內(nèi)核供電電壓，系統(tǒng)以XCF01S為配置芯片，由40 MHz的外部晶振提供時鐘信號，主要由前端信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集存儲和傳輸?shù)炔糠纸M成，總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

系統(tǒng)采用7.4 V鋰電池和4.5 V氧化銀電池構(gòu)成雙電源供電，以增強彈載采存器供電系統(tǒng)的抗過載能力，提高系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)電源模塊轉(zhuǎn)成2.5 V、3.3 V電壓后，為系統(tǒng)各模塊、芯片供電。3軸侵徹加速度信號先經(jīng)前端信號調(diào)理模塊放大調(diào)理，然后送入數(shù)據(jù)采集模塊，F(xiàn)PGA控制A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集，再按照一定的幀格式存儲到Flash芯片中。數(shù)據(jù)回收時，上位機通過USB口發(fā)送命令，經(jīng)FT245RL將上位機指令轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA通過識別FT245RL轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)指令，把Flash中的數(shù)據(jù)上傳至上位機進行顯示、處理分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 前端信號調(diào)理模塊

前端信號調(diào)理模塊主要由RC高通濾波、儀表運算放大、有源低通濾波和電壓跟隨器組成。

在彈體侵徹試驗中，沖擊加速度信號具有較高的高頻成分，尤其在對花崗巖、鋼靶等硬目標侵徹時，沖擊加速度信號頻率可達20 kHz以上。因此，為保證采集的信號不失真，就需前端信號調(diào)理電路有較高的帶寬。系統(tǒng)采用TI公司的INA827芯片作為調(diào)理電路的主放大芯片，它是一款低成本單電源儀表放大器，通過單一外部電阻器RG可在5～1000倍之間設(shè)定任一增益，增益G=80 kΩ/RG+5。此放大器具有較高的帶寬，放大100倍時帶寬可達150 kHz，線性失真度小于0.0005%，且功耗極低。

如圖2所示，VIN-和VIN+為壓阻加速度傳感器的差分信號輸入端，在信號輸入端接一RC高通濾波電路，可以很好地消除傳感器零位偏差對輸出零位的影響。濾波后信號接入INA827儀表放大器進行放大，放大增益G1可由R5、R6的串聯(lián)阻值RG設(shè)置。

圖2 信號調(diào)理電路Fig.2 Signal conditioning circuit

為了提高系統(tǒng)對低靈敏度傳感器信號的處理采集能力，并進一步增大系統(tǒng)的工作帶寬，對IN-A827放大后的信號進行了二級放大。由基本運算放大器、電容、電阻構(gòu)成一階有源低通濾波電路，可實現(xiàn)對信號的二級放大、低通濾波，放大增益G2可由R7、R10設(shè)置。電源分壓后，經(jīng)電壓跟隨器為3個通道的INA827芯片、二級放大同相輸入端提供基準電壓VREF。經(jīng)計算，整個調(diào)理通道的輸出電壓為

設(shè)計中將一級放大增益設(shè)置為66.54，第二級放大增益設(shè)置為3，可得到近200倍的信號放大，且理論帶寬超過100 kHz。將基準電壓VREF設(shè)置為1.65 V，可實現(xiàn)加速度傳感器正負量程的信號調(diào)理。調(diào)理電路將傳感器信號處理為0～3.3 V的標準信號后輸出至A/D轉(zhuǎn)換器。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器采用的是ADI公司的AD7934芯片。AD7934是12位高速、低功耗、逐次逼近型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用2.7 V～5.25 V單電源供電，最高吞吐量達1.5 MSPS。內(nèi)置一個低噪聲、寬帶寬、差分采樣保持放大器，可處理最高達50 MHz的輸入頻率[5]。AD7934具有4個帶通道序列器的模擬輸入通道，可以通過預先編程選擇通道轉(zhuǎn)換順序。

設(shè)計中AD7934采用3.3 V供電，基準電壓引腳REF外接一個精確的3.3 V電壓源用作模數(shù)轉(zhuǎn)換的基準電壓，從而將轉(zhuǎn)換量程設(shè)置為0～3.3 V。利用外部提供20 MHz時鐘信號，采樣率達400 kHz。AD7934的外圍電路如圖3所示。

圖3 AD7934的外圍電路Fig.3 Peripheral circuit of AD7934

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸接口采用的是FTDI公司USB通信接口解決方案FT245RL。FT245RL無需編寫片內(nèi)固件程序，在內(nèi)部硬件邏輯的控制下即可實現(xiàn)USB串行協(xié)議與并行I/O協(xié)議之間的自動轉(zhuǎn)換。FT245RL通過8位并行接口與FPGA、DSP、MCU等微控制器外設(shè)接口連接，實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)的交換。上位機通過USB接口與FT245RL傳輸數(shù)據(jù)，通信時只需在PC安裝FTDI公司提供的官方驅(qū)動程序，無需用戶編寫設(shè)備驅(qū)動，簡單的Matlab的GUI、VB、VC編程，就可很容易地進行上位機軟件開發(fā)。FT245RL的外圍電路如圖4所示。

圖4 FT245RL的外圍電路Fig.4 Peripheral circuit of FT245RL

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 FPGA程序設(shè)計

系統(tǒng)FPGA程序設(shè)計基于Xilinx ISE10.1開發(fā)環(huán)境由VHDL語言編寫，主要程序模塊有：A/D采集控制模塊、Flash存儲控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸控制模塊等。FPGA與AD的接口程序設(shè)計中，根據(jù)AD7934工作時序，F(xiàn)PGA將12位配置數(shù)據(jù)通過DB0～DB11雙向數(shù)據(jù)總線寫入AD芯片，完成對A/D轉(zhuǎn)換的工作模式、轉(zhuǎn)換通道等配置。A/D轉(zhuǎn)換完成后，F(xiàn)PGA從雙向總線一次性把12位數(shù)據(jù)讀出并存入FPGA的FIFO中。

為便于數(shù)據(jù)的存儲和分離，經(jīng)AD7934轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量需按照一定的編碼方式編碼，設(shè)計中采用如表1所示的通訊數(shù)據(jù)幀編碼方式進行編碼。

由表1可知，一幀數(shù)據(jù)共14個字節(jié)，B0為低字節(jié)，B13為高字節(jié)。B0、B1為幀頭，用于數(shù)據(jù)處理時判斷數(shù)據(jù)幀的起始位置。B2～B5為幀計數(shù)，用來判斷存儲數(shù)據(jù)的完整性和計算采集的數(shù)據(jù)量。B6～B11字節(jié)為3路數(shù)據(jù)，其中2個字節(jié)構(gòu)成1路數(shù)據(jù)，分別對應每個通道采集到的模擬信號。B12～B13為幀尾，用于數(shù)據(jù)處理時判斷數(shù)據(jù)幀的結(jié)束位置。

表1 通訊數(shù)據(jù)幀編碼方式Tab.1 Encoding of communication data frame

數(shù)據(jù)編碼后，F(xiàn)PGA將數(shù)據(jù)存儲到Flash中，系統(tǒng)采用的存儲器是SAMSUNG公司的NAND Flash K9K8G08U0E，具有8 Gb數(shù)據(jù)存儲空間和256 Mb空閑空間，空閑空間可用來存儲壞塊信息及其它分區(qū)劃分信息。將數(shù)據(jù)存入Flash之前，F(xiàn)PGA先對Flash進行檢測，判斷是否已存入數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)則停止寫入，并通過LED提示，可防止已回收的存儲器由于誤觸發(fā)造成侵徹數(shù)據(jù)被覆蓋、丟失。

寫入數(shù)據(jù)時，先向Flash寫數(shù)據(jù)命令80H，然后寫要存入數(shù)據(jù)的地址，之后再寫入命令10H，F(xiàn)lash開始存儲數(shù)據(jù)，此時R/B信號清零，表示Flash處于忙碌狀態(tài)，待R/B信號置位時，表示Flash存儲數(shù)據(jù)完成，進入空閑狀態(tài)。最后，讀取狀態(tài)寄存器，如果I/O 0=0則說明數(shù)據(jù)寫入成功，反之寫入失敗。

3.2 PC軟件設(shè)計

USB設(shè)備的PC軟件設(shè)計包括設(shè)備驅(qū)動程序和用戶程序2部分。FT245RL與上位機通訊時，不需用戶編寫設(shè)備驅(qū)動程序，只要使用FTDI公司提供的2種驅(qū)動模式[6]：一種為VCP，將USB接口虛擬為串行通信端口，在PC上的編程和實現(xiàn)串口編程一樣，可利用串行通信控件來簡化上位機用戶程序設(shè)計，使用該驅(qū)動數(shù)據(jù)傳輸速率最大只達300 kb/s。另一種是D2XX驅(qū)動程序，通過調(diào)用驅(qū)動程序的動態(tài)鏈接庫直接訪問USB，在編寫用戶程序時只需調(diào)用FTD2XX.DLL中的函數(shù)，便可完成USB接口設(shè)備的讀寫操作，使用該驅(qū)動傳輸速率可達到1 Mb/s[7]，本系統(tǒng)即采用D2XX驅(qū)動程序。

上位機用戶程序采用VB編寫，主要有數(shù)據(jù)讀取、擦除數(shù)據(jù)、分離數(shù)據(jù)等操作，結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 上位機軟件結(jié)構(gòu)Fig.5 PC software structure

4 實驗驗證

利用信號發(fā)生器、分壓電路，向3路模擬輸入端輸入峰峰值為8 mV，頻率為40 kHz的正弦信號，采集系統(tǒng)對此測試信號進行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集、編幀和存儲。將存儲數(shù)據(jù)通過USB上傳給上位機，通過上位機軟件對采回的3路數(shù)據(jù)進行分離。用Matlab對分離后的數(shù)據(jù)進行繪圖分析，如圖6所示，可清楚地看到3路標準正弦曲線。通過多次連續(xù)采集和數(shù)據(jù)分離測試，驗證了系統(tǒng)的準確、可靠。

圖6 3路數(shù)據(jù)驗證曲線Fig.6 3-way data validation curve

5 結(jié)語

基于FPGA和INA827設(shè)計的侵徹加速度信號采集系統(tǒng)，可實現(xiàn)3軸MEMS加速度信號的放大調(diào)理、采集存儲，能夠滿足彈載侵徹加速度信號采集系統(tǒng)高精度、高帶寬、高采樣率、高集成度、低功耗等要求，可廣泛應用于彈體侵徹試驗中對加速度信號的采集存儲。

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