蘆夜召，張會新

（1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051；2.電子測試技術(shù)重點實驗室，山西 太原030051）

0 引 言

多路數(shù)據(jù)的采編存儲系統(tǒng)在航空、航天、工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，比如：飛行器在飛行過程中的多項參數(shù)動態(tài)測試，如對溫度、壓力、過載、沖擊、振動等進行記錄和回讀數(shù)據(jù)分析，以便對飛行器進行不斷改善[1-2]。對于常規(guī)數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)，多通道數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)同步至關(guān)重要。同步方式主要有兩種：

1）同步觸發(fā)，即在同一時刻開始采集，各個通道數(shù)據(jù)的第一個點完全一致；

2）時鐘同步，即公用一個采樣時鐘，各個通道數(shù)據(jù)之間的間距完全相同[3]。

本文系統(tǒng)采用同一個采樣時鐘，通過陀螺儀、加速度計等多種傳感器的多路數(shù)據(jù)進行采集記錄，可實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的同步采編存儲，并且功耗低、體積小、精度高，可適應(yīng)高沖擊、高振動的環(huán)境。實踐證明，該文系統(tǒng)采編存儲效果良好。

1 總體方案設(shè)計

本文系統(tǒng)的設(shè)計采用模塊化、系列化的設(shè)計思想，將記錄設(shè)備和讀數(shù)設(shè)備分開設(shè)計，降低了整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度[4-6]。對于記錄設(shè)備的設(shè)計按照模塊化的設(shè)計思想，將整個設(shè)備分為鋰電池模塊、電源管理電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路、存儲電路模塊、RS 422通信模塊等部分。模塊化的設(shè)計思想便于查找和分析系統(tǒng)問題，也便于以后系統(tǒng)升級。系統(tǒng)設(shè)計整體原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計整體原理

傳感器信號經(jīng)過接口接入采編存儲設(shè)備，先經(jīng)調(diào)理電路，后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換接入FPGA進行處理，經(jīng)過FIFO進行緩存后存入FLASH芯片中。采集數(shù)據(jù)完畢后，可以通過RS 422接口讀數(shù)盒把數(shù)據(jù)讀取到上位機進行數(shù)據(jù)分析，也可以由上位機通過RS 422讀數(shù)盒擦除記錄設(shè)備，進行下一次的采集。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 傳感器信號調(diào)理電路

所有的信號輸入范圍都是0～5 V，本文系統(tǒng)中電源模塊的輸出電壓為5 V，所以本文方案中采用了TI公司的高輸入阻抗、高增益帶寬、低噪聲的Rail to Rail的高性能運算放大器OPA4227進行信號調(diào)理，然后輸出到A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其工作示意圖如圖2所示。

圖2 信號調(diào)理電路工作示意圖

該運算放大器是高精度、低噪聲、多通道、低功耗、單電源的供電放大器，本文設(shè)計選用的是四通道，可以節(jié)省更多空間便于設(shè)備小型化設(shè)計。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

采集信號經(jīng)調(diào)理電路放大、濾波后進入A/D轉(zhuǎn)換模塊[7]。A/D轉(zhuǎn)換電路的主要功能是將信號調(diào)理電路輸出的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，然后再將信號輸送到FPGA做進一步處理。本文設(shè)計中選用高性能的AD7616轉(zhuǎn)換芯片，采樣率可達1.33 MHz。AD7616是一款采用高速、低功耗、電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，支持對16個通道進行雙路同步采樣，使用5 V單電源供電，可處理±10 V、±5 V和±2.5 V真雙極性輸入信號，同時每對通道均能以高達1 MSPS的吞吐速率和90.5 dB的SNR采樣。

2.3 RS 422通信模塊

通過RS 422接口，接收地面測發(fā)控系統(tǒng)指令，將系統(tǒng)從低功耗狀態(tài)喚醒，接收自檢及各部分供電指令，系統(tǒng)檢測各傳感器數(shù)據(jù)并回傳給地面測試控制系統(tǒng)，完成自檢。按照設(shè)定時序，接收記錄指令，在模型高振動和沖擊運動狀態(tài)下，可靠接收安裝在模型各部分的傳感器信號，并實時記錄和存儲。將存儲在設(shè)備中的數(shù)據(jù)采用RS 422通過配套的傳輸電纜傳輸?shù)降孛鏈y發(fā)控系統(tǒng)[8-9]?？赏ㄟ^上位機軟件控制記錄設(shè)備進行復(fù)位、擦除等功能，以及對設(shè)備中存儲的數(shù)據(jù)進行讀取、顯示。RS 422通信模塊電路如圖3所示。

圖3 RS 422通信模塊電路

3 軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲流程如圖4所示[10]。系統(tǒng)搭載后，等待外部上電信號；上電信號到來后，系統(tǒng)上電復(fù)位；上電及復(fù)位后，系統(tǒng)開始等待外部觸發(fā)信號；觸發(fā)信號到來后，系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)；對采集到的信號進行調(diào)理；信號調(diào)理后送入FPGA內(nèi)部FIFO；FIFO非空時送至FLASH存儲；采集完畢后，系統(tǒng)下電。

3.2 數(shù)據(jù)讀取

數(shù)據(jù)讀取流程如圖5所示[11-12]。系統(tǒng)上電復(fù)位后，用戶通過上位機界面設(shè)置數(shù)據(jù)讀取類型及讀數(shù)區(qū)間；設(shè)置完成后，上位機發(fā)送讀數(shù)指令，數(shù)據(jù)開始讀取并保存在設(shè)置的目錄下；讀數(shù)完畢后停止讀數(shù)。

圖4 數(shù)據(jù)存儲流程

圖5 數(shù)據(jù)讀取流程

數(shù)據(jù)處理軟件采用LabVIEW[13-14]編寫，操作界面控件有打開設(shè)備、關(guān)閉設(shè)備、復(fù)位、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)擦除、開始存儲、查看數(shù)據(jù)等。設(shè)備復(fù)位實現(xiàn)對讀數(shù)設(shè)備的復(fù)位；數(shù)據(jù)讀完后可以擦除記錄儀中存儲的數(shù)據(jù)，便于記錄儀再次使用。設(shè)備上電后，根據(jù)上位機發(fā)送的記錄命令開始記錄，并在設(shè)定時間延時后，接收外部動作指令，同時對模型運動過程中的姿態(tài)及各個傳感器的信號進行采集和存儲，按照設(shè)定時間，停止采集并斷開傳感器供電電源。在采集完畢后可以通過測試軟件顯示波形，并直接觀測波形幅值的大小。上位機軟件如圖6所示。

圖6 上位機軟件

4 測試結(jié)果及分析

實驗階段，在3軸轉(zhuǎn)動臺上采集不同轉(zhuǎn)速，不同方向的陀螺儀及加速度計的信號，即采編器以10 kHz的采樣率對6路慣性傳感器及其他傳感器進行采集和存儲數(shù)據(jù)，然后通過上位機軟件回讀及分析數(shù)據(jù)，并繪制波形圖，分別分析轉(zhuǎn)速、加速度與采集數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系。數(shù)據(jù)集和慣性傳感器波形如圖7、圖8所示。

圖7 數(shù)據(jù)集

圖8 慣性傳感器波形

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

利用Origin軟件對數(shù)據(jù)進行處理，分別得出轉(zhuǎn)速、加速度和采集數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系。陀螺傳感器數(shù)據(jù)表、加速度計傳感器數(shù)據(jù)表與相應(yīng)數(shù)據(jù)處理擬合曲線如表2、表3、圖9所示。具體如下：

陀螺儀轉(zhuǎn)速與采集數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系為：

加速度計的加速度與采集數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系為：

表2 陀螺傳感器數(shù)據(jù)表

表3 加速度計傳感器數(shù)據(jù)表

圖9 數(shù)據(jù)處理擬合曲線

5 結(jié)語

本文介紹一種基于FPGA的多路數(shù)據(jù)采集存儲測試系統(tǒng)。文中對系統(tǒng)的功能及硬件、軟件的模塊化設(shè)計進行了詳細的介紹。實驗結(jié)果表明，該文系統(tǒng)采集精度高、體積小，可以在高溫、高壓、高沖擊、強振動等惡劣情況下工作，并且已經(jīng)在飛行試驗動態(tài)測試中得到應(yīng)用，性能良好，值得推廣。