盧振國 王紅亮 胡曉峰

摘要：針對武器裝備測試過程中對振動、沖擊、壓力等多路信號的采集需求，設(shè)計一種通道可任意擴展的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用FPGA作為核心控制器，將系統(tǒng)功能劃分為基礎(chǔ)控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，通過在基礎(chǔ)模塊上疊加數(shù)據(jù)采集模塊的方法實現(xiàn)對采集通道數(shù)量的擴展。數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)置程控信號調(diào)理電路和采集電路，采集數(shù)據(jù)編幀后通過M-LVDS多點互聯(lián)總線傳輸?shù)娇刂颇K中。系統(tǒng)由控制模塊管理采集模塊，并通過USB電纜將數(shù)據(jù)上傳到計算機進行波形分析。經(jīng)測試，該儀器能按需求靈活擴展通道數(shù)量，單通道采樣率最高可達500KS/s，具有微型化、抗沖擊等突出特點。

關(guān)鍵詞：通道擴展；數(shù)據(jù)采集；程控調(diào)理電路；M-LVDS總線

0引言

當前，隨著儀表技術(shù)、計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)微型化、功能多元化、通道可擴展已經(jīng)成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展主流趨勢。在飛行器及火箭裝備測試過程中，需要實時采集和存儲設(shè)備工作過程中的位移、加速度、壓力和溫度等多路信號。這就對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率、集成度和通道數(shù)量提出了新的要求。

目前國內(nèi)多通道數(shù)據(jù)采集設(shè)備一般內(nèi)部信號調(diào)理電路和通道數(shù)目固定，無法根據(jù)采集需求，靈活擴展采集通道數(shù)量，并且由于傳輸速度的限制，通道數(shù)目以及采樣率都不是很高朔。而國外多家公司如NI、DTS、ETEP等推出的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都具備了測量精度高、信號范圍廣、多通道可擴展、抗干擾能力強等特點，在全球范圍內(nèi)占據(jù)了領(lǐng)先的市場地位。但由于售價昂貴和技術(shù)封鎖原因，這些產(chǎn)品尤其是軍品難以在國內(nèi)市場上流通。

為了解決當前采集系統(tǒng)存在的通道固化、安裝維護不便、連線復(fù)雜、儀器體積過大等突出問題，本文采用多點互聯(lián)總線通信的方法設(shè)計了一種通道可自由擴展的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于多點低電壓差分信令（M-LVDS）總線實現(xiàn)控制模塊與采集模塊之間的數(shù)據(jù)和指令傳輸，并對掛載在總線上的各個數(shù)據(jù)通道集中管理，采集模塊內(nèi)置獨立控制器和程控調(diào)理電路，通過增減采集模塊的數(shù)量即可實現(xiàn)對不同采集通道的擴展，為裝備維護帶來極大的便利。

1系統(tǒng)整體設(shè)計

通道可擴展數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由一個基礎(chǔ)模塊和多個數(shù)據(jù)采集模塊組成，系統(tǒng)通過基礎(chǔ)模塊對各采集模塊進行統(tǒng)一管理，每級聯(lián)單個采集模塊可擴展3路采集通道，系統(tǒng)采集通道最多可達24路。

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。采集模塊可外接三路橋式傳感器，每路傳感器差分信號經(jīng)過程控放大、程控濾波和A/D轉(zhuǎn)換后，在FPGA的控制下按照一定的數(shù)據(jù)幀格式進行緩存，隨后通過M-LVDS總線向基礎(chǔ)模塊發(fā)送。

基礎(chǔ)控制模塊內(nèi)部包含F(xiàn)PGA控制器、M-LVDS接口電路、USB接口電路、NAND Flash存儲器等。作為整個系統(tǒng)的核心控制模塊，一方面，基礎(chǔ)模塊中數(shù)據(jù)管理器負責管理多個數(shù)據(jù)采集模塊，同時將通過M-LVDS總線接收到的采集數(shù)據(jù)，存儲在其內(nèi)部Flash中：另一方面通過USB接口接收到上位機配置信息和其他指令，并將存儲器中的采集數(shù)據(jù)回傳計算機中。

2硬件設(shè)計

堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設(shè)計電路結(jié)構(gòu)時，充分考慮儀器的微型化和抗沖擊防護性能，為實現(xiàn)任意組合采集模塊的設(shè)計要求，每個采集模塊都采用相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計。其設(shè)計重點主要由程控放大電路、程控濾波電路和M-LVDS互聯(lián)接口電路等組成。

2.1程控放大電路

橋式傳感器的輸出為毫伏級微弱電壓信號，儀表放大器AD620對橋式傳感器輸出的差分信號具有良好的放大效果。為了匹配A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入量程，采用數(shù)字電位器AD5270的輸出電阻作為AD620的Rg輸入，通過調(diào)節(jié)外接電阻Rg的大小設(shè)置放大倍數(shù)。同時，為了提高增益步進精度，使用PGA202可編程放大器為核心，設(shè)置二級固定增益放大電路。系統(tǒng)通過兩級放大電路可準確實現(xiàn)在0-40 dB增益范圍內(nèi)，1倍和10倍增益步進調(diào)節(jié)，有效提高系統(tǒng)對不同級別信號的采集能力。程控放大電路的原理圖如圖2所示。

2.2程控濾波電路

裝備測試過程中各設(shè)備之間存在著較多的串擾信號，這些串擾信號產(chǎn)生的高頻雜波容易使輸出波形產(chǎn)生尖峰毛刺。由于機械振動頻率一般低于10 kHz，其他待測信號如應(yīng)變、沖擊等信號頻率更低。為了獲得通帶內(nèi)平穩(wěn)的幅頻特性并提高對多種信號的采集能力，本設(shè)計采用前后兩級濾波電路配合實現(xiàn)程控濾波功能，程控濾波電路原理圖如圖3所示。前級濾波器采用UAF42芯片完成4階有源巴特沃斯低通濾波器功能，該芯片具有集成度高、使用靈活的特點，能較好降低由電源電壓不純而引起的紋波輸出噪聲；二級濾波器選用階數(shù)和截止頻率均可調(diào)的MAX264程控濾波芯片實現(xiàn)程控低通濾波器功能，其通帶截止頻率可達140 kHz，可根據(jù)采集信號的帶寬對其9值以及截止頻率進行調(diào)節(jié)，從而使系統(tǒng)能夠適應(yīng)對多種信號的采集需求。

系統(tǒng)采用ADI公司的16位ADC芯片AD7988作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該芯片的設(shè)計輸入為0～5 V的電壓信號，數(shù)據(jù)以串行方式輸出，單通道最高采樣率為1 MS/s。為了預(yù)留一定比例的帶寬資源，設(shè)計中將采樣時鐘設(shè)置為500 kHz，完全滿足對設(shè)備振動信號的采集需求。

2.3 M-LVDS互聯(lián)接口電路

為了簡化基礎(chǔ)控制模塊與數(shù)據(jù)采集模塊之間的物理連接方式，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在微型?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程中，合理的通信接口和總線拓撲結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)系統(tǒng)多節(jié)點之間可靠通信的關(guān)鍵技術(shù)。

選用集接收器和驅(qū)動器為一體的ADN4693E作為M-LVDS收發(fā)器芯片，該芯片采用雙線差分傳輸，支持多節(jié)點傳輸結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)高達250 Mb/s的高速通信。M-LVDS適合于背板或線纜多點數(shù)據(jù)和時鐘傳輸?shù)葢?yīng)用，M-LVDS接口電路如圖4所示。

為了保證多點信號傳輸特性，在M-LVDS總線兩端的收發(fā)器分別采用50終端電阻進行匹配。M-LVDS總線作為各模塊之間的通信鏈路，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

M-LVDS數(shù)據(jù)傳輸總線主要完成構(gòu)建系統(tǒng)多點互連拓撲結(jié)構(gòu)功能。系統(tǒng)中的每個數(shù)據(jù)采集模塊均由控制模塊控制其工作狀態(tài)，點對點的通信方式必將耗費大量的物理節(jié)點，這為采集通道的擴展設(shè)計帶來諸多不便。在M-LVDS多點互聯(lián)應(yīng)用模式中，多個收發(fā)器節(jié)點共享同一傳輸鏈路，且支持熱插拔功能，具備較好的信號傳輸特性，可以有效解決模塊擴展過程中遇到的問題。

3軟件設(shè)計

3.1模塊通信程序設(shè)計

采集模塊與控制模塊之間的通信工作流程圖如圖6所示。

數(shù)據(jù)采集模塊在系統(tǒng)上電后，開始執(zhí)行初始化操作，采集模塊內(nèi)部FPGA通過接收判別電路反饋信號，識別每個采集通道傳感器的連接狀態(tài)，并將對應(yīng)的狀態(tài)字寫入其內(nèi)部狀態(tài)寄存器。各個采集模塊在接收到來自控制模塊的查詢命令后，將通道狀態(tài)字和寄存器標識符等通道信息，通過M-LVDS多點互聯(lián)傳輸總線發(fā)送給基礎(chǔ)模塊，同時通過FPGA將獲取的采集模塊配置信息如程控放大增益參數(shù)、程控濾波配置參數(shù)和AD采樣率等寫入相應(yīng)的配置寄存器中。系統(tǒng)完成全部采集模塊配置后，由基礎(chǔ)控制模塊發(fā)送采集觸發(fā)命令，采集模塊實時采集通道數(shù)據(jù)信號，并按照傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)打包，保存在其內(nèi)部的緩存存儲器中。為了保證采集模塊中數(shù)據(jù)的可靠傳輸，在一定時間范圍內(nèi)，基礎(chǔ)控制模塊將采用輪詢的方式向采集模塊發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸命令，并將接收數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部大容量存儲器中。采集模塊按照以上流程順序執(zhí)行采集、存儲、發(fā)送等操作周期，在收到采集終止命令后，完成一次采集操作，并執(zhí)行復(fù)位命令，重新進行初始化。

3.2程控參數(shù)配置程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊接收程控參數(shù)并完成參數(shù)配置的工作流程圖如圖7所示。

初始化結(jié)束后采集模塊開始接收系統(tǒng)指令，并將指令中的地址信息與自身序列號進行比對，只有信息匹配成功后采集模塊才會接收采集指令并啟動相應(yīng)的采集通道。當采集模塊中的多個通道同時被選通時，使用通道掃描的方式依次選通各通道，并將配置參數(shù)通過SPI接口寫入相應(yīng)的配置寄存器中。

4系統(tǒng)測試

4.1多節(jié)點通信功能驗證

首先對FPGA中M-LVDS接口的多點互聯(lián)通信邏輯功能進行驗證，使用ISE集成開發(fā)套件中的ChipScope軟件實時抓取M-LVDS互聯(lián)總線上的傳輸數(shù)據(jù)，如圖8所示。從圖中可知，每個采集模塊在接收到由基礎(chǔ)控制模塊發(fā)送的讀取命令后，順序返回該模塊2字節(jié)遞增數(shù)，說明多點通信傳輸功能良好；同時，每個采集模塊通過幀同步標識符建立和保持與控制模塊的通信傳輸時間，采集模塊在與控制模塊通信過程中，M-LVDS總線一直處于忙碌狀態(tài)，而其他采集模塊均執(zhí)行等待命令，控制模塊接收單個采集模塊數(shù)據(jù)并校驗傳輸幀正確后，順序執(zhí)行對下一采集模塊訪問，說明系統(tǒng)各功能模塊之間的通信邏輯正確。

4.2波形文件分析

使用信號發(fā)生器作為模擬信號源，輸出頻率為20 kHz、峰峰值為250 mV的正弦波信號；系統(tǒng)測試環(huán)境及實物模塊如圖9所示。

為了測試單模塊的采集性能，將輸入信號線接在傳感器輸入接口上。將采集數(shù)據(jù)編幀后上傳至上位機，導(dǎo)出部分波形解析文件如圖10所示。

對采集數(shù)據(jù)標定后的波形曲線如圖11所示。從圖中可以看出，由于FPGA的通道掃描速度遠高于芯片的量化和編碼過程，系統(tǒng)對振動和沖擊等信號的采集達到了偽同步的效果。在采集過程中，將單通道采樣率設(shè)置為500 kS/s，輸出波形平滑，滿足測試要求。

5結(jié)束語

本文采用模塊化設(shè)計方法，以FPGA為核心控制器設(shè)計了堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)使用多點互聯(lián)的總線通信方式，簡化了儀器的物理連接，能根據(jù)采集任務(wù)和測試環(huán)境，通過上位機應(yīng)用程序靈活設(shè)置每個通道放大增益參數(shù)、濾波系數(shù)及AD采樣率等配置信息，并按照需求擴展通道數(shù)量。為解決儀器測試中靈活擴展采集通道數(shù)量提供了一種有效的方案。