光纖與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)雙冗余系統(tǒng)的等時(shí)無縫傳輸設(shè)計(jì)

李祖博，陳昌鑫，馬鐵華，張志偉

（中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

裝甲車輛動(dòng)力艙在運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)參數(shù)[1]的獲取對于艙的設(shè)計(jì)和合理布局起著至關(guān)重要的作用。隨著當(dāng)今科技工業(yè)的快速發(fā)展，裝甲車輛動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)由原來單一的動(dòng)力源發(fā)展到了現(xiàn)在的混合動(dòng)力源[2-4]，動(dòng)力艙的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，艙內(nèi)的各種器件配合也更加緊密，艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、空間狹小、存在較強(qiáng)的電磁干擾。傳統(tǒng)的引線電測法將傳感部件置于測試現(xiàn)場，信號記錄器及計(jì)算機(jī)等設(shè)備置于遠(yuǎn)離現(xiàn)場的掩體內(nèi)，測試信號通過電纜傳輸，對于動(dòng)力艙這種特殊環(huán)境，存在布線不靈活，易引入噪聲等問題[5-6]。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的存儲(chǔ)測試技術(shù)，將傳感器、適配電路、A/D變換器、控制器、存儲(chǔ)器、接口電路以及電源集成在一個(gè)裝置里置于測試現(xiàn)場，測試完畢后回收裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[7]。該技術(shù)在信號源處進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，解決了引線過程帶來的干擾，但是存在測試系統(tǒng)布設(shè)不便，測試裝置需要回收讀數(shù)等不足。

針對以上問題，提出了一種基于光纖傳輸?shù)拇鎯?chǔ)測試技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測試點(diǎn)和遠(yuǎn)端的多組數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)，測試點(diǎn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)做備份，遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)方便讀取。選用MSP430單片機(jī)作控制器實(shí)現(xiàn)了低功耗、微體積設(shè)計(jì)[8]，光纖傳輸數(shù)字信號抗電磁干擾能力強(qiáng)。在此，重點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析，提升采樣頻率，采用等時(shí)無縫傳輸方法，成功實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

1 系統(tǒng)的基本組成和工作原理

以光纖為界，系統(tǒng)分為發(fā)送端（本地）和接收端（遠(yuǎn)端）兩部分。發(fā)送端位于艙內(nèi)，包括模擬傳感電路、信號調(diào)理電路、信號采集電路、接口電路、電光信號轉(zhuǎn)換電路等[8]。接收端位于艙外可靠近的地方，包括數(shù)字控制電路、光電信號轉(zhuǎn)換電路、接口電路等。測試原理框圖如圖1所示。

圖1 測試原理框圖Fig.1 Diagram of the test

為了驗(yàn)證測試系統(tǒng)的可行性，模擬測試4路信號（1路溫度信號和三軸加速度的3路電壓信號）。本地模塊感知溫度和加速度變化，在MSP430的控制下一方面將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在測點(diǎn)本地存儲(chǔ)單元，另一方面通過光纖向遠(yuǎn)端傳輸數(shù)據(jù)，接收端在MSP430的控制下將本地傳來的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外置Flash芯片中。本地和遠(yuǎn)端模塊都可以通過上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)端模塊在容易接近的地方，方便讀數(shù)，當(dāng)遠(yuǎn)端模塊發(fā)生故障或光纖傳輸數(shù)據(jù)過程異常，可取出本地模塊讀取備份數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 存儲(chǔ)模式的選擇

針對雙冗余存儲(chǔ)系統(tǒng)來說，可選的存儲(chǔ)方法：方法1，本地存儲(chǔ)完畢，再遠(yuǎn)端存儲(chǔ)；方法2，兩邊同時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)。選用方法1，系統(tǒng)的存儲(chǔ)時(shí)間明顯較長，不利于長時(shí)間工作，而且在測試過程中本地電路發(fā)生問題，導(dǎo)致無法向遠(yuǎn)端傳輸數(shù)據(jù)，之前測得的數(shù)據(jù)將成為無用數(shù)據(jù)。因此，從系統(tǒng)節(jié)能和可靠性方面考慮，選用方法2更適合。方法2的存儲(chǔ)模式如圖2所示。

圖2 存儲(chǔ)模式Fig.2 Storage mode

2.2 影響系統(tǒng)采樣頻率因素分析

車艙溫度和加速度是緩變量，頻率很低，不超過300 Hz，根據(jù)奈奎斯特定律，采樣頻率大于信號頻率的2倍才可以還原信號，工程應(yīng)用中一般5～10倍，為了提高信號品質(zhì)，可以通過提高采樣頻率的辦法。由于本地系統(tǒng)的每個(gè)采樣周期既要完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，又要完成數(shù)據(jù)的傳輸以及遠(yuǎn)端系統(tǒng)完成接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，提高系統(tǒng)采樣頻率很困難，以下重點(diǎn)分析主要影響因素——Flash和光纖。

2.2.1 Flash對采樣頻率的影響

本地系統(tǒng)選用MSP430為控制器，利用其內(nèi)置AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Samsung公司的K9WAG08U1A芯片中[9]。將AD設(shè)置為序列通道單次轉(zhuǎn)換模式，系統(tǒng)通過定時(shí)器中斷的方式來控制AD的采樣頻率，每個(gè)采樣周期內(nèi)既要完成AD的轉(zhuǎn)換還要完成對Flash的寫操作。AD最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200 ks/s，其與Flash的寫操作時(shí)間相比很小，令其轉(zhuǎn)換時(shí)間忽略不計(jì)，則1個(gè)定時(shí)器周期至少要完成對Flash的寫操作[10]。

1個(gè)定時(shí)器周期內(nèi)要轉(zhuǎn)換4路模擬信號，由于采用MSP430內(nèi)置AD，每路模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量需要2 B，所以每個(gè)定時(shí)周期產(chǎn)生8 B的數(shù)據(jù)需要寫入Flash。由Flash的頁寫時(shí)序可知，如圖3所示，數(shù)據(jù)先存放在頁寄存器中，每個(gè)寫周期時(shí)間tw，c時(shí)間存入1 B，當(dāng)寄存器中的數(shù)據(jù)存滿2048 B時(shí)，開始進(jìn)行頁編程，此時(shí)頁寄存器不再接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源仍有數(shù)據(jù)將導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，頁寫框圖如圖4所示。由于 tw，c的時(shí)間很短，而頁編程典型時(shí)間 200 μs，故兩次采樣之間的間隔不得小于200 μs，即定時(shí)器周期t＞200 μs，否則會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，所以系統(tǒng)采樣頻率f=t-1＜5 kHz，故用MSP430直接將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入Flash要求系統(tǒng)采樣頻率不得大于5 kHz。

圖3 Flash頁寫時(shí)序Fig.3 Flash page write timing

圖4 Flash頁寫框圖Fig.4 Block diagram of Flash page writing

采取在單片機(jī)內(nèi)部建緩存的方式，如圖5所示，則仍可以在頁編程的200 μs時(shí)間內(nèi)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，故AD的采樣頻率不再僅由頁編程時(shí)間決定，而且還與緩存的大小有關(guān)。

圖5 建緩存的頁寫框圖Fig.5 Block diagram of page writing with built cache

表1給出了系統(tǒng)最大采樣頻率在不建緩存和建立緩存2種情況下的大小關(guān)系。考慮到C程序每條語句本身執(zhí)行需要時(shí)間，系統(tǒng)實(shí)際所能達(dá)到的最大頻率都要比表中的小。

表1 系統(tǒng)最大采樣頻率與建緩存和不建緩存的關(guān)系Tab.1 Relationship of the maximum sampling frequency between the buffered and uncached buffers

2.2.2 影響光纖通信速度因素

為了減少引線和簡化電路，采用了單根光纖串行通信，選用武漢原創(chuàng)公司的光纖收發(fā)模塊。發(fā)送模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)字電信號轉(zhuǎn)換為光信號適合光纖傳輸數(shù)據(jù)，接收模塊是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，滿足遠(yuǎn)端控制電路對數(shù)據(jù)處理的要求[11]。該模塊具有SC/FC插拔式或FC尾纖型光接口，接口電平兼容標(biāo)準(zhǔn)TTL電平和CMOS電平，發(fā)射器件的工作波長為1310 nm或850 nm，傳輸速率低至直流，上限速率可選，最高可達(dá)10 Mb/s，通過將其SD和TD與單片機(jī)串口收發(fā)管腳連接即可實(shí)現(xiàn)光纖通信[12-13]。

對于模塊提供的最高10 Mb/s傳輸速度，系統(tǒng)利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。其主要限制因素是單片機(jī)串口的傳輸速度，串口是按幀格式傳輸?shù)?，采?0 b的幀格式，如圖6所示。

圖6 幀格式Fig.6 Frame format

在此涉及2個(gè)變量，一個(gè)是串口的波特率baud，另一個(gè)是串口2次傳輸數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間t（假設(shè)每次傳輸?shù)臅r(shí)間間隔是相同的），則系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率 s=10/［10（baud+t）-1］。 為了提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，令t=0，則s=baud。對于常用的波特率有9600，19200，56000，115200 b/s 等，根據(jù)系統(tǒng)每次轉(zhuǎn)換需要傳輸8 B數(shù)據(jù)，按8幀80 b數(shù)據(jù)計(jì)算，系統(tǒng)最高采樣頻率fmax=baud/80，表2列出了系統(tǒng)最高采樣頻率和常用串口波特率之間的對應(yīng)關(guān)系。

表2 系統(tǒng)最高采樣頻率和常用串口波特率的對應(yīng)關(guān)系Tab.2 Correspondence between system maximum sampling frequency and common serial port Baud rate

可見，通過提高串口波特率有助于提高系統(tǒng)采樣頻率，為了最大化提高光纖利用率，將MSP430串口配置為過采樣模式，使波特率達(dá)到460800 b/s，系統(tǒng)最高采樣頻率理論上應(yīng)該為fmax=460800 b·s-1/80 b=5.76 kHz，考慮到串口每發(fā)送1 B需要的時(shí)間為t=（10/460800）μs=21.7 μs，只有當(dāng)發(fā)送緩存為空時(shí)才能發(fā)送下一個(gè)字節(jié)，所以為了減小誤碼率和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，給每個(gè)字節(jié)留出大于21.7 μs的發(fā)送時(shí)間，故系統(tǒng)采樣頻率不應(yīng)高于5.76 kHz。

2.3 等時(shí)無縫光纖傳輸設(shè)計(jì)

由2.2分析可知，限制系統(tǒng)采樣頻率的關(guān)鍵因素是光纖通信速度。串口每次只能發(fā)送1 B，且發(fā)送時(shí)間的長短與波特率有關(guān)，系統(tǒng)每次AD轉(zhuǎn)換需要傳輸8 B，而只有一根光纖串行傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)波特率一定的情況下，提出了等時(shí)無縫光纖傳輸方法。所謂等時(shí)無縫，是指將8 B分成8個(gè)連續(xù)相等的時(shí)間段發(fā)送，將字節(jié)的發(fā)送時(shí)間平鋪整個(gè)采樣周期，這樣可以保證每個(gè)字節(jié)都有足夠的發(fā)送時(shí)間，沒有縫隙可以最大化利用時(shí)間資源。

系統(tǒng)的時(shí)間資源分配框圖如圖7所示，每個(gè)定時(shí)器A周期包括定時(shí)器A中斷的時(shí)間和8個(gè)定時(shí)器B的周期，在定時(shí)器A中斷里判斷AD轉(zhuǎn)換完成并設(shè)置數(shù)據(jù)標(biāo)志位以區(qū)分不同通道數(shù)據(jù)，在中斷結(jié)束的時(shí)候打開定時(shí)器B中斷，每隔相同時(shí)間進(jìn)一次中斷，實(shí)現(xiàn)1 B的發(fā)送，總共8次中斷，在最后一次關(guān)閉定時(shí)器B中斷使能，防止定時(shí)器A和B發(fā)生中斷嵌套。這樣就實(shí)現(xiàn)了8幀數(shù)據(jù)依次等間隔光纖傳輸，且可以最大限度地將剩余時(shí)間用來對Flash寫操作。

圖7 系統(tǒng)時(shí)間資源分配Fig.7 Allocation map of time system resources

3 模擬實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

通過試驗(yàn)，對測試方法進(jìn)行驗(yàn)證，溫度傳感器中途置入熱水中，一段時(shí)間后取出，給裝置施加若干次振動(dòng)。本地?cái)?shù)據(jù)在上位機(jī)中讀取，如圖8所示。

圖8 本地?cái)?shù)據(jù)上位機(jī)讀數(shù)圖Fig.8 Reading figure of local data

通道4是溫度的變化情況，通道1，2，3分別是x，y，z軸加速度的變化情況。圖8的橫軸（時(shí)間）表示采樣點(diǎn)，縱軸（幅值）是AD轉(zhuǎn)換后的電壓。由圖可見，溫度曲線隨著時(shí)間的增加先升高后下降，加速度隨著時(shí)間的增加出現(xiàn)若干次尖峰，與理論相符。將遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)同樣在上位機(jī)中讀取，結(jié)果與圖8一致。然而，對比二者的data文件，才能驗(yàn)證該系統(tǒng)的正確性。如圖9所示，通過對比data文件，本地和遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)完全一樣，從而驗(yàn)證了測試方法的正確性。

圖9 本地與遠(yuǎn)端Flash存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的對比Fig.9 Storing data of local Flash and distal Flash

4 結(jié)語

基于光纖傳輸?shù)碾p冗余存儲(chǔ)測試技術(shù)在信號源頭進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，光纖進(jìn)行傳輸，采用等時(shí)無縫的傳輸方法，使本、地遠(yuǎn)端同時(shí)存儲(chǔ)多組數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。系統(tǒng)選用MSP430單片機(jī)作控制器和單根光纖傳輸數(shù)據(jù)，一方面減小電路體積、降低功耗，另一方面抗電磁干擾。通過模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于光纖傳輸?shù)碾p冗余存儲(chǔ)測試方法的正確性，對于像動(dòng)力艙這種空間狹小、電磁干擾強(qiáng)烈的場合低頻參數(shù)測試具有重要的參考價(jià)值。

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