王東升,李建普,劉崢

（1.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司成都分公司，四川 成都 610051；2.震坤行工業(yè)超市（上海）有限公司，上海 201107；3.東方電氣（德陽(yáng)）電動(dòng)機(jī)技術(shù)有限責(zé)任公司，四川 德陽(yáng) 618000）

1 前言

針對(duì)未來(lái)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)規(guī)模大、精度高的建設(shè)要求，開(kāi)發(fā)出了一套基于Serial Rapid IO（SRIO）總線標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)將采集設(shè)備前移至采集對(duì)象，實(shí)現(xiàn)就地采集數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)組成分布式采集系統(tǒng)，將數(shù)字信號(hào)統(tǒng)一發(fā)送至遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)中心。這樣減少了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)電纜的敷設(shè)，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)提高了系統(tǒng)的精度，也便于系統(tǒng)的擴(kuò)展及和其他系統(tǒng)的融合。

2 Serial Rapid IO介紹

Serial Rapid IO(SRIO)是由Motorola和Mercury等公司開(kāi)發(fā)的一種高性能、 低引腳數(shù)、 基于數(shù)據(jù)包交換的高速通信架構(gòu)，是為滿足未來(lái)高性能嵌入式系統(tǒng)需求而設(shè)計(jì)的一種開(kāi)放式通信標(biāo)準(zhǔn)。

圖1所示為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換模式，圖2所示是SRIO數(shù)據(jù)交換模式，該模式更適合系統(tǒng)擴(kuò)展和高速、大規(guī)模數(shù)據(jù)交換。

圖1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交換模式

圖2 SRIO數(shù)據(jù)交換模式

傳統(tǒng)模式中所有外部設(shè)備都直接與CPU進(jìn)行總線通信，任何兩個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換必須通過(guò)CPU進(jìn)行中轉(zhuǎn)。

SRIO總線系統(tǒng)通過(guò)Rapid IO Switch可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的連接和數(shù)據(jù)交互，接入Switch中的任何兩個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換不再通過(guò)CPU進(jìn)行中轉(zhuǎn)而直接進(jìn)行交換。

3 總線架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)前文所述的Rapid IO Switch的特性，對(duì)系統(tǒng)的總線架構(gòu)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 內(nèi)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總線架構(gòu)示意圖

其他模塊如CPU模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、存儲(chǔ)模塊等通過(guò)SRIO總線與Rapid IO Switch連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如圖4所示。

圖4 內(nèi)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換示意圖

采集模塊可以實(shí)現(xiàn)ICP、熱電偶、RTD、應(yīng)變、電阻信號(hào)調(diào)理采集。

在本系統(tǒng)中，CPU模塊盡量不干預(yù)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交換和處理，如采集模塊采集到的數(shù)據(jù)可以直接存到指定的存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)處理模塊如特征值提取，直接從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行提取特征值，然后發(fā)給以太網(wǎng)通信模塊向上位機(jī)發(fā)送，或者通信模塊直接從存儲(chǔ)模塊讀取原始數(shù)據(jù)向上位機(jī)發(fā)送，這樣減少了數(shù)據(jù)存取操作的次數(shù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸、處理速度。

Rapid IO Switch可以支持16個(gè)獨(dú)立通道。并且每個(gè)獨(dú)立串行通道可以設(shè)置不同的波特率，常用的波特率有1.25G、2.5G和3.125G。不同波特率對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸速率如表1所示。

表1 不同波特率對(duì)應(yīng)的傳輸速率

除了數(shù)據(jù)交互效率提高外，系統(tǒng)的功能也可以進(jìn)行靈活配置。采集模塊采用高性能FPGA芯片，可以對(duì)內(nèi)部邏輯進(jìn)行重置，使系統(tǒng)更靈活地滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集要求。

4 模塊設(shè)計(jì)

內(nèi)置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷是實(shí)現(xiàn)能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜、惡劣環(huán)境的就地采集，同時(shí)還要滿足現(xiàn)場(chǎng)各種狹隘空間的安裝要求。因此模塊必須能夠適應(yīng)高溫、低溫、強(qiáng)震、潮濕、粉塵、腐蝕的環(huán)境，同時(shí)外形小巧、堅(jiān)固。

4.1 小巧堅(jiān)固的外殼設(shè)計(jì)

外殼的設(shè)計(jì)同時(shí)兼顧考慮散熱、安裝、防腐等問(wèn)題。外殼的設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 外殼設(shè)計(jì)實(shí)物圖

圖6 單個(gè)模塊的長(zhǎng)度

單個(gè)模塊尺寸為76mm x 50mm x 10mm（長(zhǎng)x寬x高）。如圖6、圖7、圖8所示。

圖7 單個(gè)模塊的寬度

圖 8單個(gè)模塊的高度

此設(shè)計(jì)是在對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。兼顧了電磁干擾、高溫、潮濕、油霧、噪聲、振動(dòng)、等惡劣環(huán)境及安裝空間狹窄的要求。

4.2 模塊的擴(kuò)展設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則就是便于擴(kuò)展，因此設(shè)計(jì)模塊時(shí)間需要考慮擴(kuò)展模塊的安裝、拆卸便捷性。兼顧前述的Rapid IO Switch特性及模塊外殼，設(shè)計(jì)模塊采用堆疊式安裝擴(kuò)展，如圖9所示。

圖9 堆疊式模塊擴(kuò)展

系統(tǒng)根據(jù)采集需要模塊的種類(lèi)和數(shù)量進(jìn)行直接插接堆疊，如果模塊數(shù)量超過(guò)Rapid IO Switch通道數(shù)量，需要再插入一個(gè)Rapid IO Switch模塊或者組成分布式系統(tǒng)，如圖10所示。

圖10 分布式采集系統(tǒng)拓?fù)鋱D

分布式系統(tǒng)可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)組成局域網(wǎng)進(jìn)行通信，避免了一個(gè)采集系統(tǒng)無(wú)限擴(kuò)展，同時(shí)便于安裝在各個(gè)采集對(duì)象內(nèi)部或者附近，最大限度地縮短模擬量信號(hào)傳輸距離。

4.3 導(dǎo)冷防水及抗震設(shè)計(jì)

設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性主要體現(xiàn)在適應(yīng)高溫、潮濕、振動(dòng)的環(huán)境，因此在設(shè)計(jì)模塊時(shí)特別進(jìn)行了這些方面的考慮，除了外殼外，PCB的設(shè)計(jì)制作、模塊組裝也綜合考慮了這些要求，PCB安裝后對(duì)模塊進(jìn)行密封灌膠，如圖11所示。

圖11 模塊注膠灌封設(shè)計(jì)

4.4 抗電磁干擾設(shè)計(jì)

抗電磁干擾也是設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性的一個(gè)重要方面，在模塊設(shè)計(jì)中也充分考慮了電磁干擾的要求，因此供電采用隔離措施，如圖12所示。

圖12 抗電磁干擾設(shè)計(jì)

電源模塊采取了以下措施保證抗干擾能力：

（1）電源輸入隔離；

（2）浪涌電流抑制；

（3）反極性保護(hù)；

（4）模塊與外殼絕緣設(shè)計(jì)；

（5）系統(tǒng)外殼接地端子設(shè)計(jì)；

（6）具備Shut-down模式。

5 應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)在國(guó)產(chǎn)軍用飛機(jī)上實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了內(nèi)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性及穩(wěn)定性，在風(fēng)機(jī)上部署安裝示意圖，如圖13所示，設(shè)備分別安裝在機(jī)翼的不同位置，小巧堅(jiān)固的外殼能夠適應(yīng)機(jī)翼狹小的空間，通過(guò)1553B總線組成分布式系統(tǒng)。

圖13 在國(guó)產(chǎn)軍用飛機(jī)上實(shí)測(cè)

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)電、航電、飛控、動(dòng)力等區(qū)域健康管理數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、故障診斷、地面測(cè)試。主要功能如下：

千兆以太網(wǎng)通訊；

ARINC 429通訊；

RS422通訊；

1553B通訊；

TTFC通訊；

USB通訊；

AFDX通訊；

1394B通訊；

每區(qū)域100GB存儲(chǔ)；

支持板載算法處理。

系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D14所示。

圖14 國(guó)產(chǎn)飛機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)拓?fù)鋱D

本設(shè)備小巧的外形尺寸、堅(jiān)固的外殼更適合安裝在飛機(jī)內(nèi)部狹隘空間。由于采集設(shè)備部署在傳感器附近就縮短了模擬量信號(hào)傳輸距離，通過(guò)數(shù)字量信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸，提高了系統(tǒng)抗干擾能力，保證了信號(hào)的質(zhì)量，提高了系統(tǒng)測(cè)量精度。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）本文所述內(nèi)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用SRIO總線、小巧堅(jiān)固的外殼、內(nèi)部注灌封膠的組裝、堆疊式的擴(kuò)展方式滿足了惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及未來(lái)需要大規(guī)模分布式就地采集的要求。

（2）系統(tǒng)的適應(yīng)性強(qiáng)，除在飛機(jī)上應(yīng)用外，還可以在能源系統(tǒng)應(yīng)用，如風(fēng)電葉片應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，采集設(shè)備安裝在葉片內(nèi)部狹小的空間內(nèi)，進(jìn)行就地采集，減少了葉片內(nèi)部信號(hào)線的敷設(shè)，同時(shí)模塊優(yōu)秀的環(huán)境適應(yīng)能力可以適應(yīng)葉片低溫、強(qiáng)振動(dòng)的環(huán)境。

（3）在實(shí)際測(cè)試中驗(yàn)證了該系統(tǒng)的性能先進(jìn)性，值得在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中推廣。