喬鳳普， 蘭治軍， 李怡麒， 潘洪運

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

隨著裝甲車信息化程度的提高，越來越多的傳感器遍布在車上的各個角落，用于判斷故障和預(yù)測可能發(fā)生的故障，以便盡快進(jìn)行故障定位，進(jìn)而解決故障或提前發(fā)現(xiàn)隱患.目前，我國裝甲車輛上一般都配備了信號采集盒和總線信息記錄裝置，用來采集和記錄車輛狀態(tài)信息，但該信號采集盒采樣頻率較低，對于間斷發(fā)生的異常故障，存在無法采集的狀況；同樣，總線信息記錄裝置存在記錄數(shù)據(jù)緩慢、并且存儲空間受限的現(xiàn)狀[1].因此，本研究設(shè)計了一套基于CPU+FPGA嵌入式核心平臺的高速數(shù)據(jù)采集和存儲裝置，并融合了目前主流的信息處理和實時在線監(jiān)測技術(shù)，旨在解決上述信號采集速率低、記錄數(shù)據(jù)慢和存儲空間受限等問題.

1 硬件原理與工作原理

作為經(jīng)常運行在惡劣環(huán)境下的裝甲車來說，各種車載重要部件性能參數(shù)決定了其運行狀態(tài)的好壞，要實現(xiàn)其車載狀態(tài)參數(shù)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集、存儲處理和實時監(jiān)測[2]，除了要實現(xiàn)壓力、電流、溫度的常規(guī)低速緩變信號采集外，還需要對關(guān)鍵部位的振動信號和噪聲信號以及電路的尖峰浪涌信號進(jìn)行高速采集，從采集的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)對整車、分系統(tǒng)和部件有用的信息，進(jìn)而提高整車及部件的可靠性.這些信號采集需要5MSPS的采樣率、256MPSa的存儲深度、不高于±0.1%FS的采集精度，另外，由于采集的數(shù)據(jù)類型復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，必須通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，采集速率低和存儲空間小的普通數(shù)據(jù)采集存儲產(chǎn)品不能滿足其實際需要.

1.1 硬件原理

設(shè)備硬件原理框圖如圖1所示，硬件由CPU、FPGA、時鐘電路、復(fù)位電路、NorFLASH、DDR2、硬盤(SATA II接口)、板載溫度傳感器電路、板載振動傳感器電路、振動沖擊信號調(diào)理電路、噪聲信號調(diào)理電路、浪涌信號調(diào)理電路、PT1000信號調(diào)理電路、熱電偶信號調(diào)理電路、4～20 mA電流信號調(diào)理電路、0～±10 V電壓信號調(diào)理電路、信號選通電路、A/D采集電路、以太網(wǎng)通訊電路、USB通訊電路、CAN通訊電路、FlexRay通訊電路、RS485通訊電路、電源電路、恒流源電路和JTAG電路組成.

圖1 設(shè)備硬件原理框圖

1.2 工作原理

設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集存儲和軟件升級功能，數(shù)據(jù)采集存儲具有“在線”和“離線”兩種工作模式，其工作原理如下所述.

1)在線模式.

設(shè)備輸出激勵信號為外部信號采集傳感器提供工作電壓，傳感器將外部環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入設(shè)備，信號經(jīng)調(diào)理選擇后供A/D采集.A/D轉(zhuǎn)換器通過SPI總線將采集到的數(shù)據(jù)傳送給FPGA，F(xiàn)PGA將接收到的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行觸發(fā)處理等一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理工作.高速采集時，采集數(shù)據(jù)先存入DDR2中，達(dá)到存儲深度后，CPU將數(shù)據(jù)從DDR2讀出，并利用以太網(wǎng)將采集數(shù)據(jù)傳給上位機，供上位機監(jiān)測分析，同時通過DMA通道將采集數(shù)據(jù)和日歷時間存入硬盤；低速采集時，采集數(shù)據(jù)不經(jīng)過DDR2存儲器，其它與高速采集一樣.同時CPU可通過CAN、FlexRay總線與車載其它設(shè)備進(jìn)行信息交互.工作流程如圖2所示.

圖2 在線模式工作流程圖

2)離線模式.

信號采集存儲方式均與在線模式相同，不需要通過以太網(wǎng)實時上傳采集數(shù)據(jù)到上位機，上位機可通過以太網(wǎng)或USB離線下載硬盤中的數(shù)據(jù)，便于采集數(shù)據(jù)的分析和處理.同時CPU可通過CAN、FlexRay等總線與車載其它設(shè)備進(jìn)行信息交互.工作流程如圖3所示.

圖3 離線模式工作原理圖

2 主要功能電路設(shè)計

本節(jié)主要對上文提到的硬件組成中的CPU、FPGA性能參數(shù)及部分高速信號功能電路做簡單介紹.時鐘電路、復(fù)位電路、4～20 mA信號調(diào)理電路、A/D采集電路、PT1000信號調(diào)理電路、信號選通電路、恒流源電路，以太網(wǎng)、USB、CAN、RS485、FLEXRAY通信電路等功能電路，限于篇幅，不再一一贅述.

2.1 CPU處理器

CPU處理器實現(xiàn)Nor FLASH讀寫、DDR2讀寫、硬盤讀寫、FPGA信息交互、RTC時鐘、以太網(wǎng)通訊、USB通訊、RS485通訊和JTAG調(diào)試下載功能.設(shè)計時，選用Freescale公司的MPC8315E處理器作為設(shè)備的CPU，其功能如圖4所示.

圖4 CPU模塊圖

從CPU特性可以看出，CPU具有的本地總線可實現(xiàn)Nor FLASH讀寫和FPGA信息交互.DDR2接口可實現(xiàn)DDR2讀寫.自帶的以太網(wǎng)、USB控制器可實現(xiàn)以太網(wǎng)和USB通訊功能.UART可實現(xiàn)RS485通訊功能.SATA接口可實現(xiàn)硬盤的讀寫.JTAG接口可實現(xiàn)JTAG調(diào)試下載功能.I2C總線外擴RTC時鐘實現(xiàn)日歷時鐘功能.MPC8315E控制器滿足設(shè)計需要.

2.2 FPGA

FPGA需實現(xiàn)與CPU 16位并行總線通訊、5路A/D SPI數(shù)據(jù)采集、DDR2擴展、CAN控制、FlexRay控制和恒流源輸出控制功能，I/O口共需約230個.設(shè)計時，選用Xilinx公司的Spartan-3A系列XC3S1400AN芯片，其特性有：502個I/O引腳、622 Mb/s I/O速率.自帶DDR2接口、自帶16Mb片上FLASH、具有25 344個邏輯單元、工作溫度范圍為-40～+125 ℃.根據(jù)其特性得出，XC3S1400AN滿足設(shè)計需要.

2.3 硬盤

硬盤作為設(shè)備存儲采集數(shù)據(jù)使用，為了滿足特種車輛存儲數(shù)據(jù)的特點，選型主要考慮其工作電壓、接口方式、存儲容量、存取速率、工作溫度范圍等參數(shù)，本設(shè)計選用源科256G存儲硬盤.其特性有：+3.3 V供電、支持SATA接口(SATA II協(xié)議)、140 MB/s讀寫速度、工作溫度范圍為-55～+85 ℃.滿足設(shè)計需要.

2.4 振動沖擊信號調(diào)理電路

振動沖擊信號調(diào)理電路用于對振動和沖擊傳感器輸入信號進(jìn)行調(diào)理，使其符合于A/D采集.本設(shè)備中A/D采集電壓范圍為0～+4.096 V，其主要包括信號保護(hù)、信號濾波、信號選擇和信號放大電路.

傳感器由設(shè)備恒流源電路供電，其輸出電壓范圍為0～+10 V.調(diào)理電路先接跟隨器進(jìn)行阻抗變換，再通過放大電路將信號衰減為0～+2 V，增加+2 V偏置，使信號輸出為0～+4 V，供A/D采集.

放大器芯片選用型號為7FOP27的低噪聲精密運算放大器芯片，其特性有：最大電源電壓為±22 V、壓擺率2.8 V/us、8 MHz增益帶寬、共模抑制比126 dB、1.8×106開環(huán)增益、工作溫度范圍為-55～+125 ℃.

在信號保護(hù)后端使用雙刀雙擲繼電器，繼電器一端接輸入信號，另一端通過10 kΩ電阻接到+2 V參考電壓，實現(xiàn)調(diào)理電路自檢測功能.繼電器選用TE公司的IM01GR，其工作溫度范圍為-40～+85 ℃.電路圖如圖5所示.

圖5 振動沖擊信號調(diào)理電路圖

2.5 噪聲信號調(diào)理電路

噪聲傳感器由設(shè)備恒流源電路供電，其輸出電壓范圍為0～+8 V.調(diào)理電路先接跟隨器進(jìn)行阻抗變換，再通過放大電路將信號衰減為0～+2 V信號，再增加+2 V偏置，使信號輸出為+2～+4 V，供A/D采集.

電路圖如圖6所示.

圖6 噪聲信號調(diào)理電路圖

2.6 浪涌信號調(diào)理電路

調(diào)理后的信號先經(jīng)過信號選通再送給A/D采集，浪涌信號最高為+250 V.調(diào)理電路先經(jīng)過精密電阻進(jìn)行分壓降為+2 V，經(jīng)過跟隨器進(jìn)行阻抗變換且增加+2 V偏置，使信號輸出為+2～+4 V，再送入信號選通電路.

電路圖如圖7所示.

圖7 浪涌信號調(diào)理電路圖

3 軟件設(shè)計與功能實現(xiàn)

在上文設(shè)計的硬件基礎(chǔ)之上，開發(fā)了高速采集和存儲設(shè)備端軟件和上位機軟件，二者之間通過TCP/IP進(jìn)行通信.高速采集與存儲設(shè)備軟件包括BootLoader、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件3部分.BootLoader實現(xiàn)相應(yīng)外設(shè)的初始化和引導(dǎo)加載功能，操作系統(tǒng)采用VxWorks操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集和傳輸由應(yīng)用軟件實現(xiàn).上位機軟件主要包含控制設(shè)備端軟件、對20個通道數(shù)據(jù)內(nèi)容的分析和呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)的在線和離線傳輸、CAN/RS485/FlexRay的接口測試、16路恒流源輸出控制和板載振動、溫度數(shù)據(jù)顯示,等等.軟件構(gòu)架如圖8所示.采集數(shù)據(jù)處理流程如圖9所示.

圖8 軟件架構(gòu)圖

圖9 采集數(shù)據(jù)處理流程

4 測試與分析

4.1 測試

高速采集和存儲設(shè)備通過FPGA將采集的數(shù)據(jù)實時保存到SATA硬盤中，并通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)PC機對嵌入式設(shè)備進(jìn)行配置，通過網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，上位機軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和呈現(xiàn).在樣車上，通過對各個通道的采集功能和設(shè)備的存儲功能進(jìn)行測試，部分通道的測試波形見圖10和圖11.圖10中，橫坐標(biāo)為可選的采樣點長度，縱坐標(biāo)為對應(yīng)采集的電壓值.并且，均可根據(jù)系數(shù)將橫坐標(biāo)切換為時間軸、縱坐標(biāo)切換為實際加速度值.圖11中，橫坐標(biāo)為可選的采樣點長度，縱坐標(biāo)為對應(yīng)采集的電壓值.并且，均可根據(jù)系數(shù)將橫坐標(biāo)切換為時間軸、縱坐標(biāo)切換為噪聲信號大小.

通過分析.發(fā)現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)實時性較好，數(shù)據(jù)存儲速度較快，能夠進(jìn)行后續(xù)分析，初步達(dá)到了設(shè)計要求.

圖10 振動試驗測試

圖11 噪聲試驗測試

4.2 分析與對比

目前，樣車上的總線記錄裝置一般為每秒記錄一次總線數(shù)據(jù)，記錄結(jié)果見表1.通過對比高速采集和存儲設(shè)備與樣車總線記錄裝置的功能，高速采集和存儲設(shè)備有如下優(yōu)勢：

1)在存儲空間上，高速采集和存儲設(shè)備有256G的存儲空間，遠(yuǎn)大于目前總線記錄裝置.

2)在設(shè)備功能上，高速采集和存儲設(shè)備既可以記錄總線數(shù)據(jù)，還具備8路高速采集通道以及12路中低速采集通道，高速采集時采樣率可達(dá)5MSPS，可實現(xiàn)對車輛關(guān)鍵部位的健康狀態(tài)進(jìn)行采集和監(jiān)測；而目前總線記錄裝置不具備該功能.

3)在通信方式上，高速采集和存儲設(shè)備支持CAN、Flexray、USB以及RS485通訊方式，目前總線記錄裝置通信方式比較單一.

4)在數(shù)據(jù)處理上，高速采集和存儲設(shè)備支持在線實時繪制監(jiān)測數(shù)據(jù)波形，并支持離線數(shù)據(jù)處理；而目前總線記錄裝置不具備以上功能.

表1 目前樣車上總線記錄裝置記錄的數(shù)據(jù)片段

5 結(jié)束語

設(shè)計了一套基于CPU+FPGA嵌入式核心平臺的高速數(shù)據(jù)采集和存儲裝置，樣車測試結(jié)果表明，該裝置可以實現(xiàn)對裝甲車輛的測試部位進(jìn)行實時采集，較之前的低速采集設(shè)備，具備更高的采樣率，CPU具有更快的處理速度，存儲空間也有了量的飛躍；同時可從采集和存儲的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)更有用的信息，能實現(xiàn)對關(guān)鍵部位的實時狀態(tài)監(jiān)測.但是，上位機軟件需要進(jìn)一步完善和增添更多的功能，比如，實現(xiàn)故障自動診斷與預(yù)判、根據(jù)車輛的狀況產(chǎn)生健康狀態(tài)評估等新一代車輛狀態(tài)監(jiān)測模式要求.

[1] 黃鴻強.車載在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[2] 萬 軍.典型裝甲車輛平臺環(huán)境數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫管理[J].裝備環(huán)境工程，2010，7(6)：234-236.