牛婉琳 劉磊 甄國(guó)涌 焦新泉 李輝景 宋坤濤

摘要：為解決測(cè)試系統(tǒng)中彈內(nèi)空間狹小、無(wú)法同時(shí)容納多套傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的問(wèn)題.設(shè)計(jì)基于AD7173的多通道數(shù)據(jù)采集高速存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多傳感器（四軸MEMS加速度計(jì)、四軸MEMS陀螺儀、三軸地磁傳感器和溫度傳感器）的高精度采集存儲(chǔ)。選用∑一△型高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7173實(shí)現(xiàn)對(duì)多路傳感器信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并通過(guò)芯片的RDY引腳作為STM32外部中斷來(lái)判斷是否轉(zhuǎn)換完成，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)流水線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)。試驗(yàn)結(jié)果表明：輸入角速率與敏感角速率誤差控制在±0.0017°/s以內(nèi)。對(duì)多個(gè)傳感器的采集驗(yàn)證表明該數(shù)據(jù)采集高速存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多通道信息的高精度采集存儲(chǔ)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高精度數(shù)據(jù)采集；高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；多通道；MEMS傳感器

0引言

在國(guó)外，因?yàn)閿?shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)研發(fā)較早，所以在技術(shù)方面占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，如美國(guó)DT公司、法國(guó)ETEP公司以及奧地利DEWESOFT公司等。ETEP公司的產(chǎn)品主要優(yōu)勢(shì)是可在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，其中S800屬于較經(jīng)典一款，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)800MB/s，支持存儲(chǔ)器最大容量為8TB，傳輸媒介支持多樣化，比如USB、光纖電纜、CAN等。DEWESOFT公司新一代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅配備具有隔離作用的輸入放大器，而且還實(shí)現(xiàn)160 dB的超高動(dòng)態(tài)范圍，可達(dá)每通道200 kHz的采樣率，同步智能實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器。

我國(guó)相比較國(guó)外的研發(fā)水平有一定的差距，這是由于研發(fā)與設(shè)計(jì)起步較晚。但經(jīng)過(guò)多年的努力，我國(guó)也出現(xiàn)一些有競(jìng)爭(zhēng)力的單位，比如中北大學(xué)、北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司等。中北大學(xué)在國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)方面所研制的產(chǎn)品主要面向航天、航海及軍事領(lǐng)域，最典型的案例就是輔助我國(guó)成功完成天宮二號(hào)的發(fā)射，并且能夠完整地獲取相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，為我國(guó)載人航天工程做出貢獻(xiàn)。

目前我國(guó)大多數(shù)常規(guī)炮彈采用微慣性測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行慣性制導(dǎo)與控制，炮彈在發(fā)射到落地的過(guò)程中其滾轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速和加速度的變化量較大，若采用單一量程傳感器，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度降低，所以采用冗余設(shè)計(jì)來(lái)解決此問(wèn)題。由于傳感器數(shù)量的增加且彈內(nèi)空間狹小，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于AD7173的多通道數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)最大可以實(shí)現(xiàn)對(duì)十六通道信息的高精度實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)，通過(guò)回收固態(tài)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，可以分析飛行過(guò)程中記錄的各項(xiàng)指標(biāo)性能。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)多路模擬信號(hào)的高精度采集存儲(chǔ)，STM32單片機(jī)控制高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7173，將經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后的傳感器輸出模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、量化，然后將數(shù)據(jù)在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行編幀和緩存，最后再控制將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到大容量的固態(tài)存儲(chǔ)器Hash中。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，由電源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、存儲(chǔ)模塊和控制模塊組成。

系統(tǒng)由電源模塊供電，電源輸出的可靠性和精度會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。考慮到機(jī)載和彈載的特殊應(yīng)用環(huán)境，本設(shè)計(jì)選用質(zhì)量輕、能量密度高的鋰電池作為系統(tǒng)的外部供電電源，系統(tǒng)內(nèi)部選用REGl04-5為信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊供電，選用AMS1117-3.3為單片機(jī)和Flash存儲(chǔ)模塊供電。

信號(hào)調(diào)理電路的作用主要是對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等操作轉(zhuǎn)換成為采集設(shè)備能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換精度決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣精度，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用低功耗、高精度、快速建立的24位∑-A型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7173。該芯片采用三線SPI通信方式，地址、命令、數(shù)據(jù)線共用一個(gè)SPI接口，在很大程度上減少了I/O口的使用量：其內(nèi)部集成數(shù)字濾波器可產(chǎn)生2.5 v參考電壓，降低了外圍電路的復(fù)雜程度。

存儲(chǔ)模塊用于存機(jī)載和彈載測(cè)試系統(tǒng)輸出的傳感器原始數(shù)據(jù)，以便飛行試驗(yàn)后對(duì)系統(tǒng)回收后進(jìn)行數(shù)據(jù)的回讀、解算和分析。因飛行器飛行時(shí)間相對(duì)較短、動(dòng)態(tài)性高，所以需要進(jìn)行短時(shí)、快速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

控制模塊采用基于Contex-M4架構(gòu)的32位STM32F405RGT6型微控單元，其主頻可達(dá)168 MHz，讓數(shù)據(jù)的快速傳輸和存儲(chǔ)成為可能。其主要功能為對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的控制，數(shù)據(jù)的編幀、傳輸和存儲(chǔ)等。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32為主控單元，通過(guò)SPI串口控制模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、保持并判斷模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是否轉(zhuǎn)換完成，然后通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編幀并存儲(chǔ)于Flash中。系統(tǒng)的程序流程框圖如圖2所示。

2.1 A/D采集

AD7173采用SPI接口進(jìn)行數(shù)字通信，工作模式為SPI模式3：通過(guò)配置ADCMODE、IFMODE等寄存器使芯片工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式和非連續(xù)讀取模式并在24位數(shù)據(jù)前附加讀取時(shí)的狀態(tài)信息（ADC和串行接口的狀態(tài)信息），以便實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)的正確性。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，通過(guò)RDY引腳作為STM32外部中斷來(lái)判斷是否轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換完成后控制模數(shù)將數(shù)據(jù)通過(guò)SPI傳輸給STM32進(jìn)行編幀、緩存。

2.2數(shù)據(jù)緩存

本系統(tǒng)采用的AD7173最高采樣率為31250S/s，每通道數(shù)據(jù)為4B，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的Flash采用頁(yè)編程，每頁(yè)的最短編程時(shí)間為200μs，在頁(yè)編程期間會(huì)產(chǎn)生25 B左右的數(shù)據(jù)，為了保證數(shù)據(jù)的完整性，故采用循環(huán)數(shù)組的方式來(lái)緩存數(shù)據(jù)。

循環(huán)數(shù)組實(shí)現(xiàn)方式為：設(shè)指針兩個(gè)變量分別指示隊(duì)列頭元素和尾元素，初始化時(shí)，令隊(duì)列頭元素和尾元素等于0。當(dāng)有新數(shù)據(jù)寫入隊(duì)列尾時(shí)，尾元素加1；當(dāng)讀出數(shù)據(jù)時(shí)，頭元素加1；當(dāng)頭元素或者尾元素為最大隊(duì)列數(shù)時(shí)，將其置0，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)緩存。

2.3Flash高速存儲(chǔ)

高速存儲(chǔ)常用方法為多片NAND Flash構(gòu)建存儲(chǔ)陣列。在存儲(chǔ)陣列基礎(chǔ)上，流水線設(shè)計(jì)為常用高速存儲(chǔ)技術(shù)之一。流水線操作原理如圖3所示。

由圖3可知，加載完第1片F(xiàn)lash數(shù)據(jù)后，進(jìn)入busy狀態(tài)，然后把數(shù)據(jù)送入第2片F(xiàn)lash；加載完第2片F(xiàn)lash數(shù)據(jù)后，再把數(shù)據(jù)送人下一片F(xiàn)lash；同理，加載完第Ⅳ片F(xiàn)lash數(shù)據(jù)后，第Ⅳ片進(jìn)入busy狀態(tài)，此時(shí)已完成第1片F(xiàn)lash數(shù)據(jù)的加載，進(jìn)入readv狀態(tài)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)加載，再次將數(shù)據(jù)送入第1片F(xiàn)lash。通過(guò)循環(huán)上述操作可完成高速數(shù)據(jù)的持續(xù)存儲(chǔ)。

Hash存儲(chǔ)芯片數(shù)據(jù)加載時(shí)間為164.13μs，頁(yè)編程時(shí)間560 μs，至少需要5片才能滿足以上流水線操作。因?yàn)榈?片數(shù)據(jù)加載完之后的4片數(shù)據(jù)加載時(shí)間為164.13 μsx4=656.52μs，正好大于第1片頁(yè)編程時(shí)間，能夠滿足流水線操作。每個(gè)存儲(chǔ)芯片內(nèi)部有兩個(gè)target，相當(dāng)于兩片Hash，因此本設(shè)計(jì)選用3個(gè)Flash芯片完成流水線操作。理想狀態(tài)時(shí)（不考慮無(wú)效塊識(shí)別、地址操作、以及每個(gè)Flash之間切換），這3個(gè)Flash芯片（6片F(xiàn)lash）可達(dá)到8 KB+164.13μs=47.599 MB/s存儲(chǔ)速度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)。

3系統(tǒng)驗(yàn)證

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是對(duì)多路模擬信號(hào)的高精度采集與傳輸，采用靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是否可靠可行。

3.1靜態(tài)測(cè)試

利用本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以31 250S/s的采樣率對(duì)多個(gè)干電池進(jìn)行電壓采集，讀出Hash中的數(shù)據(jù)，利用上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分離，將3 B的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制記為x，AD7173輸出電壓的模擬量u與數(shù)字量x的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

根據(jù)式（1），利用Matlab將其中一個(gè)通道采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電壓值，并繪出相應(yīng)的關(guān)系如圖4所示，噪聲0.1 mV左右。經(jīng)測(cè)試，本采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)正確有效，無(wú)錯(cuò)幀、丟幀現(xiàn)象。

3.2動(dòng)態(tài)測(cè)試

利用本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)某慣性組合傳感器（三軸陀螺、三軸加速度計(jì)、三軸地磁傳感器、一軸高過(guò)載傳感器）進(jìn)行采集，其中三軸MEMS陀螺（±75°/s）在9組不同轉(zhuǎn)速的組態(tài)下（-75°/s，-50°/s，-30°/s，-10°/s，0°/s，10°/s，30°/s，50°/s，75°/s）進(jìn)行采集，每個(gè)組態(tài)穩(wěn)定20 s。用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，MEMS陀螺的輸出電壓與敏感角速率大小之間的關(guān)系，即MEMS陀螺的一階模型為

由式（2）可以將陀螺輸出的電壓值轉(zhuǎn)換為其敏感角速率的大小，并將其與三軸轉(zhuǎn)臺(tái)外框的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角速率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示，誤差控制在±0.0017°/s以內(nèi)。經(jīng)測(cè)試，本采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多路傳感器信息的高精度采集。

4結(jié)束語(yǔ)

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用AD7173與STM32F405RGT6完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集處理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的多通道、高精度采集，能夠?qū)崟r(shí)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，而且系統(tǒng)外圍電路簡(jiǎn)單，程序可移植性高，系統(tǒng)功能擴(kuò)展容易。經(jīng)試驗(yàn)證，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠滿足一般的工程性應(yīng)用要求。