一種通道可擴(kuò)展的堆疊式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧振國(guó) 王紅亮 胡曉峰

摘要：針對(duì)武器裝備測(cè)試過(guò)程中對(duì)振動(dòng)、沖擊、壓力等多路信號(hào)的采集需求，設(shè)計(jì)一種通道可任意擴(kuò)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(guò)在基礎(chǔ)模塊上疊加數(shù)據(jù)采集模塊的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)采集通道數(shù)量的擴(kuò)展。數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)置程控信號(hào)調(diào)理電路和采集電路，采集數(shù)據(jù)編幀后通過(guò)M-LVDS多點(diǎn)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(guò)USB電纜將數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行波形分析。經(jīng)測(cè)試，該儀器能按需求靈活擴(kuò)展通道數(shù)量，單通道采樣率最高可達(dá)500KS/s，具有微型化、抗沖擊等突出特點(diǎn)。

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

0引言

當(dāng)前，隨著儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(kuò)展已經(jīng)成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展主流趨勢(shì)。在飛行器及火箭裝備測(cè)試過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)設(shè)備工作過(guò)程中的位移、加速度、壓力和溫度等多路信號(hào)。這就對(duì)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(guó)內(nèi)多通道數(shù)據(jù)采集設(shè)備一般內(nèi)部信號(hào)調(diào)理電路和通道數(shù)目固定，無(wú)法根據(jù)采集需求，靈活擴(kuò)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(guó)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(cè)量精度高、信號(hào)范圍廣、多通道可擴(kuò)展、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在全球范圍內(nèi)占據(jù)了領(lǐng)先的市場(chǎng)地位。但由于售價(jià)昂貴和技術(shù)封鎖原因，這些產(chǎn)品尤其是軍品難以在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上流通。

為了解決當(dāng)前采集系統(tǒng)存在的通道固化、安裝維護(hù)不便、連線復(fù)雜、儀器體積過(guò)大等突出問(wèn)題，本文采用多點(diǎn)互聯(lián)總線通信的方法設(shè)計(jì)了一種通道可自由擴(kuò)展的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于多點(diǎn)低電壓差分信令（M-LVDS）總線實(shí)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(duì)掛載在總線上的各個(gè)數(shù)據(jù)通道集中管理，采集模塊內(nèi)置獨(dú)立控制器和程控調(diào)理電路，通過(guò)增減采集模塊的數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同采集通道的擴(kuò)展，為裝備維護(hù)帶來(lái)極大的便利。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

通道可擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由一個(gè)基礎(chǔ)模塊和多個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊組成，系統(tǒng)通過(guò)基礎(chǔ)模塊對(duì)各采集模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理，每級(jí)聯(lián)單個(gè)采集模塊可擴(kuò)展3路采集通道，系統(tǒng)采集通道最多可達(dá)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(hào)經(jīng)過(guò)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(jìn)行緩存，隨后通過(guò)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(chǔ)器等。作為整個(gè)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(fù)責(zé)管理多個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，同時(shí)將通過(guò)M-LVDS總線接收到的采集數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在其內(nèi)部Flash中：另一方面通過(guò)USB接口接收到上位機(jī)配置信息和其他指令，并將存儲(chǔ)器中的采集數(shù)據(jù)回傳計(jì)算機(jī)中。

2硬件設(shè)計(jì)

堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)時(shí)，充分考慮儀器的微型化和抗沖擊防護(hù)性能，為實(shí)現(xiàn)任意組合采集模塊的設(shè)計(jì)要求，每個(gè)采集模塊都采用相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)重點(diǎn)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(jí)微弱電壓信號(hào)，儀表放大器AD620對(duì)橋式傳感器輸出的差分信號(hào)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(guò)調(diào)節(jié)外接電阻Rg的大小設(shè)置放大倍數(shù)。同時(shí)，為了提高增益步進(jìn)精度，使用PGA202可編程放大器為核心，設(shè)置二級(jí)固定增益放大電路。系統(tǒng)通過(guò)兩級(jí)放大電路可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)在0-40 dB增益范圍內(nèi)，1倍和10倍增益步進(jìn)調(diào)節(jié)，有效提高系統(tǒng)對(duì)不同級(jí)別信號(hào)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(cè)試過(guò)程中各設(shè)備之間存在著較多的串?dāng)_信號(hào)，這些串?dāng)_信號(hào)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(jī)械振動(dòng)頻率一般低于10 kHz，其他待測(cè)信號(hào)如應(yīng)變、沖擊等信號(hào)頻率更低。為了獲得通帶內(nèi)平穩(wěn)的幅頻特性并提高對(duì)多種信號(hào)的采集能力，本設(shè)計(jì)采用前后兩級(jí)濾波電路配合實(shí)現(xiàn)程控濾波功能，程控濾波電路原理圖如圖3所示。前級(jí)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(diǎn)，能較好降低由電源電壓不純而引起的紋波輸出噪聲；二級(jí)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(shí)現(xiàn)程控低通濾波器功能，其通帶截止頻率可達(dá)140 kHz，可根據(jù)采集信號(hào)的帶寬對(duì)其9值以及截止頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使系統(tǒng)能夠適應(yīng)對(duì)多種信號(hào)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(jì)輸入為0～5 V的電壓信號(hào)，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(jì)中將采樣時(shí)鐘設(shè)置為500 kHz，完全滿(mǎn)足對(duì)設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的采集需求。

2.3 M-LVDS互聯(lián)接口電路

為了簡(jiǎn)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)目煽啃裕谖⑿蛿?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，合理的通信接口和總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多節(jié)點(diǎn)之間可靠通信的關(guān)鍵技術(shù)。

選用集接收器和驅(qū)動(dòng)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(diǎn)傳輸結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)高達(dá)250 Mb/s的高速通信。M-LVDS適合于背板或線纜多點(diǎn)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘傳輸?shù)葢?yīng)用，M-LVDS接口電路如圖4所示。

為了保證多點(diǎn)信號(hào)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(jìn)行匹配。M-LVDS總線作為各模塊之間的通信鏈路，其拓?fù)浣Y(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(diǎn)互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功能。系統(tǒng)中的每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊均由控制模塊控制其工作狀態(tài)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式必將耗費(fèi)大量的物理節(jié)點(diǎn)，這為采集通道的擴(kuò)展設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多不便。在M-LVDS多點(diǎn)互聯(lián)應(yīng)用模式中，多個(gè)收發(fā)器節(jié)點(diǎn)共享同一傳輸鏈路，且支持熱插拔功能，具備較好的信號(hào)傳輸特性，可以有效解決模塊擴(kuò)展過(guò)程中遇到的問(wèn)題。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1模塊通信程序設(shè)計(jì)

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(kāi)始執(zhí)行初始化操作，采集模塊內(nèi)部FPGA通過(guò)接收判別電路反饋信號(hào)，識(shí)別每個(gè)采集通道傳感器的連接狀態(tài)，并將對(duì)應(yīng)的狀態(tài)字寫(xiě)入其內(nèi)部狀態(tài)寄存器。各個(gè)采集模塊在接收到來(lái)自控制模塊的查詢(xún)命令后，將通道狀態(tài)字和寄存器標(biāo)識(shí)符等通道信息，通過(guò)M-LVDS多點(diǎn)互聯(lián)傳輸總線發(fā)送給基礎(chǔ)模塊，同時(shí)通過(guò)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(xiě)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(shí)時(shí)采集通道數(shù)據(jù)信號(hào)，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(chǔ)器中。為了保證采集模塊中數(shù)據(jù)的可靠傳輸，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，基礎(chǔ)控制模塊將采用輪詢(xún)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(chǔ)在內(nèi)部大容量存儲(chǔ)器中。采集模塊按照以上流程順序執(zhí)行采集、存儲(chǔ)、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(jìn)行初始化。

3.2程控參數(shù)配置程序設(shè)計(jì)

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(kāi)始接收系統(tǒng)指令，并將指令中的地址信息與自身序列號(hào)進(jìn)行比對(duì)，只有信息匹配成功后采集模塊才會(huì)接收采集指令并啟動(dòng)相應(yīng)的采集通道。當(dāng)采集模塊中的多個(gè)通道同時(shí)被選通時(shí)，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(guò)SPI接口寫(xiě)入相應(yīng)的配置寄存器中。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1多節(jié)點(diǎn)通信功能驗(yàn)證

首先對(duì)FPGA中M-LVDS接口的多點(diǎn)互聯(lián)通信邏輯功能進(jìn)行驗(yàn)證，使用ISE集成開(kāi)發(fā)套件中的ChipScope軟件實(shí)時(shí)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(gè)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(shuō)明多點(diǎn)通信傳輸功能良好；同時(shí)，每個(gè)采集模塊通過(guò)幀同步標(biāo)識(shí)符建立和保持與控制模塊的通信傳輸時(shí)間，采集模塊在與控制模塊通信過(guò)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(gè)采集模塊數(shù)據(jù)并校驗(yàn)傳輸幀正確后，順序執(zhí)行對(duì)下一采集模塊訪問(wèn)，說(shuō)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(hào)發(fā)生器作為模擬信號(hào)源，輸出頻率為20 kHz、峰峰值為250 mV的正弦波信號(hào)；系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境及實(shí)物模塊如圖9所示。

為了測(cè)試單模塊的采集性能，將輸入信號(hào)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(jī)，導(dǎo)出部分波形解析文件如圖10所示。

對(duì)采集數(shù)據(jù)標(biāo)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(yuǎn)高于芯片的量化和編碼過(guò)程，系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)和沖擊等信號(hào)的采集達(dá)到了偽同步的效果。在采集過(guò)程中，將單通道采樣率設(shè)置為500 kS/s，輸出波形平滑，滿(mǎn)足測(cè)試要求。

5結(jié)束語(yǔ)

本文采用模塊化設(shè)計(jì)方法，以FPGA為核心控制器設(shè)計(jì)了堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)使用多點(diǎn)互聯(lián)的總線通信方式，簡(jiǎn)化了儀器的物理連接，能根據(jù)采集任務(wù)和測(cè)試環(huán)境，通過(guò)上位機(jī)應(yīng)用程序靈活設(shè)置每個(gè)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(kuò)展通道數(shù)量。為解決儀器測(cè)試中靈活擴(kuò)展采集通道數(shù)量提供了一種有效的方案。