陽衛(wèi)平

中北大學(xué)，山西 太原 030051

0 引言

本文提出一種采用FPGA為主控制平臺(tái)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，外部的各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一輸入到FPGA，F(xiàn)PGA完成數(shù)據(jù)的接收接口，數(shù)據(jù)緩存，采樣輸入控制的功能。

1 原理

整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集輸入，緩存輸入，輸入數(shù)據(jù)處理模塊，外部存儲(chǔ)模塊組成。

數(shù)據(jù)采集輸入模塊包含了各種測(cè)量環(huán)境狀態(tài)的傳感器，包括溫度傳感器，壓差傳感器，濕度傳感器，速度傳感器，風(fēng)速風(fēng)向儀，高度計(jì)，GPS，慣性傳感器。緩存輸入模塊包含了相應(yīng)的8組FIFO用來緩存?zhèn)鞲衅鬏敵鰜淼臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊主要是實(shí)現(xiàn)了多傳感器數(shù)據(jù)融合。外部存儲(chǔ)模塊主要是實(shí)現(xiàn)了環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)的備份或者緩存。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)原理框圖

壓力傳感器，溫度傳感器，速度傳感器對(duì)于所處位置和精度要求不是特別高所以可以采用傳統(tǒng)的調(diào)理加采樣的電路就能獲得數(shù)據(jù)。而慣導(dǎo)傳感器，GPS模塊，速度傳感器，風(fēng)速風(fēng)向儀對(duì)于傳感器的擺放位置和精度都要求比較多，因此采用了集成的傳感器模塊，這種模塊內(nèi)部已經(jīng)包含了調(diào)理和采樣電路而且是用小型單片機(jī)加上了各種參數(shù)補(bǔ)償，所采集的數(shù)據(jù)能通過RS232接口傳出。

以上各種傳感器的數(shù)據(jù)出來后都統(tǒng)一放置在FPGA開辟出來的Block RAM 高速緩存中，然后后面的數(shù)據(jù)處理模塊就能夠從RAM里面獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完的數(shù)據(jù)最后通過RS232的接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。

2 各模塊的設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)輸入模塊

各個(gè)傳感器選擇工業(yè)級(jí)的就能夠滿足要求，同時(shí)為了能給ADC提供一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電源，這個(gè)基準(zhǔn)電源很重要，直接影響到ADC的轉(zhuǎn)換精度。在這里我們采用AD780作為參考電壓源。AD7667中AD_CS#為片選信號(hào)負(fù)電平有效；D0-D15為數(shù)字信號(hào)輸出通道，轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)由此輸出；AD_START表示開始轉(zhuǎn)換信號(hào)，AD_BSY為高電平時(shí)，表示目前正處于轉(zhuǎn)換當(dāng)中，轉(zhuǎn)換結(jié)束后自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?，該信?hào)的下降沿可以作為讀數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)[1]

2.2 接口和緩存模塊

接口分為兩種，一種是通過AD7667出來的數(shù)字信號(hào)直接就存在緩沖RAM中。還有一種通過RS232傳輸?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)則需要在FPGA中采用UART IP核以解碼串口中的數(shù)據(jù)，然后再存入在緩沖RAM中。由于UART IP的使用非常廣泛且簡單，所以這里沒有必要詳細(xì)說明。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)入到RAM后，就要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一些必要的處理了，數(shù)據(jù)處理模塊正式完成這項(xiàng)任務(wù)的。

多傳感器數(shù)據(jù)融合其基本原理是充分利用多個(gè)傳感器資源及其觀測(cè)數(shù)據(jù)的合理支配和使用，把多個(gè)傳感器在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲得比其各組成部分的子集更優(yōu)越的性能[2]。

在這里我們采用的數(shù)據(jù)融合模式是使用GPS接收機(jī)和慣導(dǎo)系統(tǒng)互相輔助，把GPS和慣導(dǎo)系統(tǒng)按綜合的要求進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)的緊密組合模式。GPS接收機(jī)提供接收后的原始數(shù)據(jù)稱之為偽距、偽距率。偽距、偽距率組合便于卡爾曼濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，便于組合導(dǎo)航系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì) 。

2.4 外部存儲(chǔ)模塊

外部存儲(chǔ)模塊與接口模塊類似同樣是通過UART IP核來實(shí)現(xiàn)RS232接口，通過這個(gè)接口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種低成本的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以作為飛行控制的采集板來使用，在未來還可以采取測(cè)量精度更高的傳感器，以改進(jìn)電路系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)融合算法的研究可以更深以便改善整個(gè)系統(tǒng)的軟件性能。

[1]AnalogDevices.16-bit1MSPSSARUnipolarADCwithRef，2002.

[2]楊萬海.多傳感器數(shù)據(jù)融合及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[3]何友.多傳感器信息融合及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001：112-145.