楊 棟，江 虹，羅 穎，但璐瑤

(1.西南科技大學，四川綿陽 621000；2.攀枝花學院，四川攀枝花 617000)

0 引言

隨著無人機技術的成熟和發(fā)展，目前無人機已應用于特殊環(huán)境的數據采集，包括溫度、濕度、氣體濃度檢測等方面[1]。由于高空環(huán)境的特殊性，無人機在特殊環(huán)境下的溫度采集存在采集誤差大、數據傳輸可靠性低、系統穩(wěn)定性差等問題[2]，并且受到體積和質量等限制，采集設備必須滿足體積小、質量輕等要求。

FPGA(現場可編程門陣列)具有多路數據并行處理的優(yōu)勢，并且器件穩(wěn)定性高。因此，本文針對以上問題，設計以FPGA為主控芯片，配合多個功能模塊共同協作，實現對多路數據并行采集以及對K型熱電偶的冷端補償[3]，并將采集數據組幀通過以太網接口模塊傳輸至上位機，上位機再對數據進行波形重構。該系統具有設備體積小、高精度、高可靠等特點，可應用于特殊環(huán)境下的K型熱電偶溫度采集，例如無人機在高空中對激光打靶的測試。

1 采集系統整體設計

整體采集系統結構如圖1所示，由前端信號調理模塊、A/D轉換模塊、FPGA主控模塊、數據存儲模塊、以太網傳輸模塊以及上位機構成。

圖1 系統框圖

FPGA作為采集系統的主控模塊，具有高穩(wěn)定性和并行數據處理等優(yōu)點[4]，其主要作用為：

(1)產生各模塊驅動時鐘。系統時鐘由YS0321SR有源晶振產生，FPGA通過內核PLL鎖相環(huán)分頻輸出各模塊需求時鐘。

(2)控制前端數據采集。16路傳感信號由Δ-Σ型ADC進行增益放大、濾波、模數轉換等操作，最后得到可供FPGA處理的數字信號。

(3)驅動存儲、傳輸模塊工作。將采集數據進行數字濾波、打包處理，以統一的數據包格式通過UDP協議發(fā)送給無人機。

2 系統功能模塊

2.1 采集模塊設計

由于數據采集系統具有多通道、高分辨率以及對熱電偶冷端補償等特點，為此選用ADS1248作為模數轉換芯片，其具有24位的垂直分辨率，有8個模擬輸入通道，內置可編程增益放大器(PGA)，可實現至多128倍增益放大。

ADS1248芯片有7根引腳和FPGA進行命令交互與數據傳輸，包括SPI通信引腳以及相關接口引腳，測試時需根據DRDY引腳的電平信號來判定數據是否轉換完成。整體采樣狀態(tài)如圖2所示，芯片起始于IDLE狀態(tài)，經過1 μs延時后，發(fā)送RESET命令(06h)，確保上電后設備復位正常，接著對寄存器進行配置操作。MUX狀態(tài)為通道選擇，8個通道會被依次組合成4組差分輸入通道，組合完成后在SYNC狀態(tài)進行數據采集，當1組數據采集完成后DRDY引腳拉低，跳轉到下一組通道再進行數據采集，數據在RDATA態(tài)被讀出，需給足32個時鐘周期的時間。

圖2 ADC采集狀態(tài)圖

ADS1248芯片可設置采樣率為20 SPS、40 SPS、80 SPS、160 SPS、320 SPS、640 SPS、1 KSPS、2 KSPS。由于采集系統包傳輸間隔為25 Hz，沒有對應的采樣率，因此需精確控制convert的時間點，方案設計為：選擇合適的采樣率(轉換時間的4倍小于40 ms)，在SYNC狀態(tài)時開始計數，當四通道數據轉換完成后，狀態(tài)鎖定在SYNC狀態(tài)，計數至25 Hz周期時再繼續(xù)下一輪采樣。

2.2 存儲模塊設計

在數據采集系統中，共有16路的傳感信號(10路熱電偶傳感器信號、5路光耦傳感器信號和1路溫度補償信號)，16路信號使用4個ADC進行采集。由1 KSPS采樣率可得：1 h內產生的數據量為329.6 Mbit，因此選擇Nor Flash型存儲器W25Q512，其具有512 Mbit的存儲容量，262 144個可編程頁面，每個頁面可以存儲256字節(jié)數據，為了實現完整翻頁問題，設計上行數據包格式為128字節(jié)，則2個包數據寫滿1頁，避免了在同一頁連續(xù)刷寫的問題。

FLASH與FPGA之間采用SPI通信，主控器模塊直接連接存儲設備的控制信號線：CLK、DIN、DOUT和CS。FPGA通過控制信號線，實現對Flash的寫數據操作和讀數據操作，控制器框圖如圖3所示。

圖3 Flash控制框圖

在FPGA的開發(fā)設計中，主設備控制模塊負責整理命令發(fā)向狀態(tài)流程控制模塊，并接收Flash讀寫地址等；狀態(tài)流程控制模塊對命令進行應答處理，并將數據信息發(fā)向數據讀寫控制模塊；讀寫控制模塊再根據讀寫時序與Flash芯片進行數據交互。數據緩存模塊用于緩存寫入或讀出Flash的數據，其中寫數據FIFO用于采集模塊寫入數據的緩存，讀數據FIFO用于讀出Flash的數據緩存[5]，實現對下一模塊的穩(wěn)定寫入。Flash讀寫測試如圖4所示，圖4(a)表明CS片選信號拉低后，當檢測到寫Flash命令時，主設備控制模塊發(fā)出寫請求脈沖，并將數據寫入Flash；圖4(b)為Flash讀數據驗證，在檢測到讀Flash命令時，讀寫控制模塊將Flash中數據讀出。經對比寫入與讀出數據一致。

2.3 數據傳輸設計

在數據采集完成后，FPGA將所有數據按照標準以太網幀格式打包發(fā)送給W5500芯片的片上緩存Buffer，再由W5500通過UDP協議發(fā)送至上位機。單包數據包含8 Byte包頭、80 Byte效應點陣數據、32 Byte狀態(tài)數據、4 Byte時間碼、2 Byte包計數碼、2 Byte校驗碼。W5500的數據收發(fā)流程如圖5所示。

(a)Flash寫入數據

(b)Flash讀出數據圖4 Flash數據讀寫功能驗證

圖5 UDP數據收發(fā)流程

圖5(a)為UDP協議的接收流程：FPGA讀取中斷寄存器Sn_IR的信息，若第3位拉高，表明接收到對方數據，則發(fā)送“RECV”命令?！敖邮兆x指針寄存器”Sn_RX_RD緩存了所要發(fā)送的數據量，SocketRxBuffer再根據接收讀指針寄存器的內容發(fā)送對應的數據個數。

圖5(b)為UDP協議的發(fā)送流程：FPGA從“發(fā)送寫指針寄存器”Sn_TX_WR中獲取所要發(fā)送的數據個數，在“SEND”命令發(fā)送后，檢測中斷寄存器Sn_IR第5位的信息，若該位拉高則表明數據發(fā)送完成。具體的包傳輸由第4節(jié)驗證。

3 熱電偶的冷端補償

在無人機高空作業(yè)時，由于采集器中K型熱電偶傳感器冷端不為0 ℃，會造成兩端電勢差減小，使轉換的溫度值也產生誤差，因此，需對熱電偶作冷端補償。

設計使用ADS1248模數芯片的三線式RTD(resistance temperature detector)應用電路作冷端補償，分別由2個IDIC電流源實現。IDIC1電流源為RTD元件提供激勵，IDIC2電流源具有相同的電流設置，通過在電阻上產生相等的電壓降來消除導線電阻[6]。并且RTD兩端的電壓是在模數轉換器引腳上差分測量的，因此導線電阻兩端的電壓會相互抵消，減小了測量誤差。參考電平將RTD信號轉換到模數轉換器指定的共模輸入范圍內，再通過多路選擇器選擇雙通道差分輸入ADC進行轉換，ADS1248的熱電偶測量系統如圖6所示。

圖6 熱電偶測量系統

考慮在FPGA內部作算法會消耗大量的邏輯資源，因此溫度補償交由上位機實現。計算時先由A/D轉換模塊測量出RTD的電壓值：

V=2.5T/256/H

(1)

式中：V為電壓，mV；T為轉換的3字節(jié)十進制數；H為0x7fffff。

由于激勵電流為1 mA，即冷端測量電阻值等于電壓值。再根據電阻值得到冷端實際溫度：

t=AR3+BR2+CR+D

(2)

式中：A=-2.667 1×10-5；B=0.009 3；C=1.497 4；

D=-216.29。

再將冷端溫度轉換為實際電壓值：

(1)當t∈(-270 ℃，0 ℃)時：

(3)

(2)當t∈(0 ℃，1 370 ℃)時：

(4)

式中：a0、a1、a2、a3、Ci為冷端電壓轉換系數；t為冷端實際轉換溫度；E為冷端電壓值。

最后利用K型熱電偶采集電壓值加上冷端電壓值通過式(5)得出實際溫度值。

T=b0+b1x+b2x2+…+bnxn

(5)

式中：T為所需的實際溫度值；x為熱電偶電壓值加上冷端電壓值；b0,…,bn為K型熱電偶溫度轉換系數。

4 系統測試

首先對采集系統的數據傳輸可靠性作測試驗證，其中wireshark抓包數據如圖7所示。

由包傳輸間隔可以驗證系統的采樣率為25 Hz，單包數據量為128字節(jié)，其中包頭為42 4a 00 14，后面為傳感器采樣數據以及包計數碼等。

圖7 wireshark抓包數據

采集系統上位機測試主要關注多通道間的轉換誤差、數據的轉換精度以及冷端補償后的實際溫度[7]。本次實驗信號源選擇fluke 5522A產生25.5 mV的直流信號經由熱電偶2通道采集。測試結果表明：冷端Pt100測量溫度為16.93 ℃，K型熱電偶未加冷端補償溫度為606.17 ℃，加入冷端補償后溫度為622.05 ℃，溫度大于400 ℃時，測量誤差在%1t以內，滿足系統指標，測試結果如圖8(a)所示。為驗證系統對交流信號的采集可靠性，信號源輸入10 mV、0.1 Hz交流信號，采集結果如圖8(b)所示。

(a)直流信號輸入

(b)交流信號輸入圖8 上位機界面

系統選取3個通道25 mV直流分量輸入，采集結果如圖9所示。整體數據落在25.02 mV與25.10 mV之間，ADC轉換值為3個字節(jié)數據，經計算得出各通道間誤差小于0.1%，數據轉換誤差小于0.4%。

圖9 直流分量采集

5 結束語

針對無人機上行鏈路采集系統可靠性差、熱電偶測量誤差大等問題，本文以FPGA作為主控芯片，設計了多個功能模塊對多路傳感信號進行采集、存儲、傳輸。模塊之間通過FIFO實現多bit數據跨時鐘域可靠傳輸，保證了系統的可靠性，并通過對K型熱電偶的冷端作溫度補償，以此來減小測量誤差。經測試，系統通道間誤差以及冷端補償誤差均滿足指標要求。本系統不僅可以應用于無人機在特殊環(huán)境下的溫度數據采集，還可以應用于其他相關領域的數據采集中，具有一定的應用價值。