王 寬，李盤文，彭瑞元

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院， 西安 710089)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為測(cè)試系統(tǒng)的核心的部分，已被廣泛用于航空、航天等工業(yè)生產(chǎn)及科研領(lǐng)域[1]。隨著飛機(jī)航電系統(tǒng)的發(fā)展，機(jī)載測(cè)試設(shè)備的使用環(huán)境越來(lái)越惡劣：電磁干擾越來(lái)越多、溫度變化越來(lái)越大，這些因素直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)試精度；同時(shí)為了滿足不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)融合分析的需求，必須實(shí)現(xiàn)同步采集。因而，設(shè)計(jì)一個(gè)具備溫度補(bǔ)償、抗干擾能力強(qiáng)的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是有必要的。

采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的精度主要與高頻干擾[2]、量化誤差[3]、噪聲誤差[4]、溫度[5-6]等因素有關(guān)。通常為了減少高頻信號(hào)的干擾，需設(shè)計(jì)相應(yīng)的抗混疊電路[7]，但這種方法只能濾除高頻信號(hào)，無(wú)法減少信號(hào)采集過程中的量化誤差；文獻(xiàn)[8]提出了一種過采樣的滑動(dòng)平均濾波算法，該方法有效降低了系統(tǒng)噪聲的功率譜密度，但滑動(dòng)平均濾波增加了系統(tǒng)的計(jì)算量；文獻(xiàn)[9]對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的采樣值進(jìn)行增益校準(zhǔn)，有效提高了系統(tǒng)的采集精度，但其只在常溫下進(jìn)行校準(zhǔn)，當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時(shí)，采集精度較差。

針對(duì)上述方法中采集精度差的問題，設(shè)計(jì)了一種帶溫度補(bǔ)償?shù)母呔韧綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先結(jié)合六階巴特沃斯(Butterworth)抗混疊濾波器設(shè)計(jì)了過采樣抽取濾波算法，避免了系統(tǒng)中的電磁干擾等因素對(duì)信號(hào)采集的影響，然后在不同溫度下，對(duì)系統(tǒng)的滿量程誤差進(jìn)行測(cè)量，建立了滿量程誤差與溫度變化的模型，并結(jié)合系統(tǒng)的起始誤差和增益誤差，建立了帶溫度補(bǔ)償?shù)脑鲆嬲`差校準(zhǔn)模型，有效減少了系統(tǒng)溫漂及量化誤差對(duì)采集精度的影響；接著提出了基于時(shí)鐘分相法的時(shí)間同步算法，實(shí)現(xiàn)了本地秒脈沖(1 pps)與外部秒脈沖的時(shí)鐘同步，滿足了不同測(cè)試系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)融合分析的需求。最后利用直方圖分析法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明該方法能夠有效減小系統(tǒng)的測(cè)量誤差；同時(shí)通過同步性試驗(yàn)表明該系統(tǒng)的同步精度優(yōu)于150 ns，滿足了不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)融合分析的要求。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由抗混疊濾波器，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，F(xiàn)PGA模塊組成。系統(tǒng)的工作原理：首先設(shè)計(jì)了六階巴特沃茲抗混疊濾波器，濾除信號(hào)中的高頻分量；然后采用過采樣抽取濾波，降低系統(tǒng)中噪聲的功率譜密度；之后結(jié)合溫度補(bǔ)償校線，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正得到最終采樣數(shù)據(jù)，最后采用時(shí)鐘分相法與PID算法，實(shí)現(xiàn)本地 1 pps 與外部1 pps的時(shí)鐘同步。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 過采樣抽取濾波

過采樣抽取濾波是一種數(shù)字濾波技術(shù)，能夠有效減少信號(hào)的噪聲，提高系統(tǒng)信噪比[10]。其關(guān)鍵技術(shù)包括兩方面：提高信號(hào)采樣率，以數(shù)十倍的奈奎斯特頻率進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)過采樣；以奈奎斯特頻率對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取，降低采樣率，實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。

過采樣抽取濾波的原理為：由于信號(hào)中的噪聲功率譜一定，提高信號(hào)采樣率可減小噪聲的功率譜密度[11]，之后再通過抽取濾波降低采樣率，則抽取信號(hào)中所包含的噪聲將減小，從而提高系統(tǒng)的信噪比及信號(hào)的采樣精度[12]。過采樣抽取濾波過程如圖2所示。

如圖2所示，本系統(tǒng)使用6倍過采樣進(jìn)行9采集，即將系統(tǒng)原始采樣頻率fs倍頻后形成6倍過采樣頻率fos，在一個(gè)原始采樣時(shí)鐘內(nèi)采集并緩存6個(gè)采樣值，然后去除最大最小值，最后將剩余的4個(gè)采樣值求平均后得到最終碼值yfilter，完成過采樣抽取濾波過程。

圖2 過采樣抽取濾波過程框圖

3 溫度—增益補(bǔ)償校準(zhǔn)模型

3.1 增益誤差校準(zhǔn)模型

增益誤差校準(zhǔn)模型如式(1)所示：

(1)

式(1)中：ycal為校準(zhǔn)后的實(shí)際輸出值；yo為起始誤差；ys為滿量程誤差；yl為滿量程理論值；yfilter為抽取濾波器的輸出碼值。

式(1)中的yo、ys、yl均通過校準(zhǔn)獲得，其獲取方法：將系統(tǒng)輸入引腳對(duì)地短接，測(cè)量AD轉(zhuǎn)換的輸出，經(jīng)16次測(cè)量取平均值后，可得到系統(tǒng)的起始誤差yo；將高精度穩(wěn)壓電源接入系統(tǒng)輸入端，并經(jīng)16次測(cè)量取平均值后，可得滿量程誤差ys；該高精度穩(wěn)壓電源經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的理論值為yl。

3.2 溫度補(bǔ)償模型

由于電路中存在模擬器件，其易受溫度影響，在不同的溫度范圍下測(cè)量系統(tǒng)的滿量程偏差，并繪制成曲線如圖3所示，可見在30 ℃時(shí)，AD轉(zhuǎn)換輸出滿量程偏差為0；當(dāng)溫度增加時(shí)，滿量程偏差值在減小；當(dāng)溫度降低時(shí)，滿量程偏差值在增加。

圖3 滿量程偏差隨溫度變化曲線

由于系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度范圍為[-40 ℃，70 ℃]，所以采樣分段線性量化的方法在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)建立滿量程偏差隨溫度變化的模型如式(2)所示：

(2)

由式(1)和式(2)可得，將增益誤差校準(zhǔn)后的值減去隨溫度變化的滿量程偏差可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，得到系統(tǒng)的最終輸出yfinal，如式(3)所示：

(3)

4 時(shí)鐘同步

將一個(gè)周期時(shí)鐘信號(hào)做不同延時(shí)可得到不同相位的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘分相法就是使用原時(shí)鐘信號(hào)和延時(shí)后的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)時(shí)間差進(jìn)行測(cè)量。如圖4所示，將CLK1信號(hào)分別延時(shí)90°、180°、270°，可得到CLK2、CLK3、CLK4時(shí)鐘信號(hào)。通過統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿?cái)?shù)量可實(shí)現(xiàn)對(duì)該時(shí)間差的測(cè)量，其時(shí)間差ΔT的計(jì)算如式(4)所示：

圖4 時(shí)鐘分相原理示意圖

(4)

式(4)中：fclk為時(shí)鐘信號(hào)的頻率；Nmax為時(shí)間差內(nèi)4個(gè)時(shí)鐘的上升沿總數(shù)。

時(shí)鐘同步的具體步驟：分別獲取本地和外部1 pps時(shí)間值；按照式(4)計(jì)算本地與外部1 pps之間的時(shí)間差；對(duì)式(4)的計(jì)算結(jié)果采用差分PID控制算法，計(jì)算出本地1 pps的修正量；修正本地1 pps的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的同步。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 采集精度試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的優(yōu)越性，將文獻(xiàn)[8-9]和本文方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。具體過程為：在-40 ℃、常溫、70 ℃等不同環(huán)境下，分別使用以上3種方法的采集系統(tǒng)對(duì)同一個(gè)穩(wěn)定的直流信號(hào)源進(jìn)行采集，然后繪制對(duì)應(yīng)的直方圖和高斯PDF曲線。為了節(jié)約篇幅只列出了常溫下的直方圖，如圖5、圖6、圖7所示。同時(shí)對(duì)不同溫度下樣本的最大值、最小值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由圖5、圖6、圖7可看出：常溫下圖7數(shù)據(jù)分布的寬度變窄，更滿足高斯分布，說(shuō)明本文方法能夠有效濾除噪聲干擾，即采樣數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，精度高。

圖5 文獻(xiàn)[8]采樣樣本直方圖

圖6 文獻(xiàn)[9]采樣樣本直方圖

圖7 本文采樣樣本直方圖

由表1可看出：常溫下3種方法的標(biāo)準(zhǔn)差都較小，即數(shù)據(jù)采集精度都較高，但隨著溫度變化文獻(xiàn)[8-9]的最大、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差變化非常大，而本文的數(shù)據(jù)變化相對(duì)較小，說(shuō)明本文的方法能夠補(bǔ)償溫度對(duì)采集數(shù)據(jù)的影響，提高數(shù)據(jù)的采集精度。。

5.2 同步采樣試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的同步特性，對(duì)板卡施加外部1 pps信號(hào)，并用示波器觀察外部1 pps信號(hào)與本地1 pps信號(hào)，看本地1 pps信號(hào)能否跟隨外部1 pps信號(hào)。通過觀察，在1 h內(nèi)，本地1 pps始終能夠跟隨外部1 pps信號(hào)，其跟隨波形如圖8所示。

圖8 1 pps同步跟隨波形

由圖8可見：在1 h內(nèi)本地1 pps能夠很好的同步跟隨外部1 pps信號(hào)，其同步精度優(yōu)于150 ns，而實(shí)際試飛測(cè)試中要求不同系統(tǒng)之間的時(shí)間同步精度不大于1 ms，可見本系統(tǒng)滿足試飛測(cè)試的同步采集需求。

6 結(jié)論

1) 充分考慮數(shù)據(jù)采集過程中高頻干擾、量化誤差、噪聲誤差、溫度等因素對(duì)采集精度的影響，建立了帶溫度補(bǔ)償?shù)脑鲆嬲`差校準(zhǔn)模型，設(shè)計(jì)了采樣抽取濾波算法；2) 提出了基于時(shí)鐘分相的時(shí)間同步算法，實(shí)現(xiàn)了本地與外部秒脈沖的同步，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的同步采集；3) 該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠有效濾除系統(tǒng)噪聲，提高系統(tǒng)測(cè)試精度；4) 該系統(tǒng)能夠補(bǔ)償溫度對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響，提高數(shù)據(jù)采集精度；5) 系統(tǒng)的同步精度優(yōu)于150 ns，滿足了不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)融合分析的要求。