任勇峰 杜若楠 王淑琴

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室 太原 030051）（2.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實驗室 太原 030051）

1 引言

隨著對飛行器的逐步深入研究，監(jiān)測的信號種類、數(shù)據(jù)量增加，通道［1］切換頻繁，硬件電路設(shè)計難度增大，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)要求逐步提升，因此需要一個功能強(qiáng)大的處理器。對比傳統(tǒng)采集系統(tǒng)采用單片機(jī)或DSP 芯片，單片機(jī)速度跟不上，逐漸淡出歷史舞臺；DSP 成本較高，在工程設(shè)計中被逐漸替代。近年來采集系統(tǒng)開始使用FPGA［2］替代DSP，F(xiàn)PGA優(yōu)勢明顯，有更快的時鐘，可以處理更快的速率，開發(fā)難度降低，成本大大低于DSP，使用范圍越來越廣。傳統(tǒng)采集電路使用二級模擬開關(guān)進(jìn)行選通，硬件復(fù)雜度高，運(yùn)放負(fù)載壓力大。本設(shè)計采用一級模擬開關(guān)，提出了一種可以隨幀結(jié)構(gòu)的變化隨之更改的ROM 表編碼方法，無需考慮實際信號通道，設(shè)計周期短，可操作性強(qiáng)，縮短設(shè)計周期。

本文設(shè)計了一種高精度通用型混合采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由三塊采集板卡構(gòu)成，實現(xiàn)了160 路不同板卡，不同類型模擬信號的采集和編碼。基于可擴(kuò)展性、通用性和高采集精度的要求，各板卡內(nèi)部通過三通連接器級聯(lián)。隔離采集的信號，采用線性光耦、DC/DC 和數(shù)字隔離器的方法，防止通道之間相互串?dāng)_和模擬開關(guān)切換的干擾。所有通道統(tǒng)一由總線控制，只需要一塊主控卡控制所有采集板卡。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計采用級聯(lián)式，設(shè)計各個板卡的板間連接器在同一個位置，可以對插進(jìn)行通信，可以增加或去掉板卡來滿足不同的采集［3］要求，滿足通用性和可擴(kuò)展性要求，其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由3 大類組成，分別是頂層的主控卡，中間的采集卡和下面的電源卡。

主控卡：FPGA 芯片高速運(yùn)轉(zhuǎn)處理數(shù)據(jù)，分別需要有3.3V、1.8V、1.2V 和1.0V 電壓供電，有明顯發(fā)熱現(xiàn)象；電源芯片LTM4644 給主控卡供電，發(fā)熱嚴(yán)重；以太網(wǎng)芯片88E1111 傳輸高速數(shù)據(jù)，這三塊需要設(shè)計上蓋向下凸起，輔助芯片散熱，所以放置在最頂層。

電源卡：電源是整個系統(tǒng)的生命源泉，為了響應(yīng)國家芯片國產(chǎn)化，選用中電四十三所國產(chǎn)化芯片，模塊是直插型，比較重，同時可以接觸到下層結(jié)構(gòu)來輔助散熱，所以放在最下面。電源卡將外部輸入的28V 電壓轉(zhuǎn)換為可供整個系統(tǒng)使用的各種電源幅值12V、5V 等，通過板間連接器輸出電壓到各個板卡。

采集卡：由2 塊采集卡和1 塊隔離采集卡構(gòu)成。每塊采集卡需要采集64 路模擬信號，隔離采集卡需要采集33 路模擬信號。因為無特殊需求設(shè)計，所以放在中間層。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 采集卡原理

采集卡信號不需要隔離，如圖2 所示，外部信號由連接器進(jìn)入后，64 路信號先進(jìn)行RC 濾波，進(jìn)入運(yùn)算放大器AD8608 跟隨，隨后進(jìn)入模擬開關(guān)ADG706，最后進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7667。因為輸入信號范圍是0～5V，AD7667 的輸入范圍是0～2.5V，所以需要降壓跟隨。ADG706 的使能、地址信號，AD7667的cnvest、byte信號由主控卡FPGA控制，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量由數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出到內(nèi)部總線，進(jìn)入到FPGA進(jìn)行統(tǒng)一編幀打包。

圖2 采集卡原理框圖

3.2 隔離采集卡原理

隔離采集卡信號需要隔離，如圖3 所示，不同類信號，同類不同通道信號之間都需要單獨(dú)的線性光耦進(jìn)行隔離。由FPGA 控制輸出，經(jīng)總線進(jìn)入的地址信號、使能信號各需要1 個四通道數(shù)字隔離器ADuM1400進(jìn)行隔離。因為ADG706的輸入電壓范圍是0～5V，28V 和15V 待采集［4］信號進(jìn)入運(yùn)放前要進(jìn)行降壓，使得進(jìn)入運(yùn)算放大器的信號在輸入范圍內(nèi)，模擬開關(guān)輸出后同樣要進(jìn)行分壓跟隨。

圖3 隔離采集卡原理框圖

3.3 總線設(shè)計

本設(shè)計為混合采集，采集卡和隔離采集卡因為采集［5］信號數(shù)量不同，接口控制信號冗余程度不同，如圖4所示，通過總線進(jìn)入到各個板卡需要接1個100Ω精度為1%的電阻來進(jìn)行選通控制。每塊采集卡有64 路信號，1 個ADG706 最多可以輸出16路信號，采集卡需要8 個ADG706 芯片。隔離采集卡有33路信號，需要3個ADG706芯片。

信號從調(diào)理電路輸出后，首先由總線提供的片選信號CS_1、CS_2 或GLCJ 來決定哪個卡開始工作；接著通過使能信號來決定哪個模擬開關(guān)工作，信號就相應(yīng)進(jìn)入工作的模擬開關(guān)；最后由地址信號決定進(jìn)入模擬開關(guān)的哪一路信號輸出。

3.4 線性光耦隔離設(shè)計

模擬信號輸出調(diào)理電路后首次隔離使用線性光耦［6］將前端調(diào)理電路與模擬開關(guān)隔離開，避免通道干擾。因為光耦的結(jié)構(gòu)決定了其具有單向?qū)щ娦?，輸入電壓等于輸出電壓。在調(diào)試推薦的典型電路過程中發(fā)現(xiàn)有毛刺現(xiàn)象，所以在實際應(yīng)用電路中，做如圖5的改進(jìn)設(shè)計，C56用來防止電路產(chǎn)生震蕩，濾除毛刺，避免電路發(fā)生異常，損害線性光耦1腳LED。本次設(shè)計總采樣率為368.64kHz，所以采用100J50V 電容。R70 用來控制LED 的發(fā)光強(qiáng)度，進(jìn)而控制通道增益。6 腳輸出會有高頻噪聲影響，所以加RC低通濾波器。

圖5 HCNR201實際應(yīng)用電路

圖5 中5V_A=5V，輸入信號VIN 范圍為0～5V，輸入?yún)⒖嫉谹GND_A 和輸出參考地AGND_B 相互隔離。根據(jù)HCNR201 芯片資料可得，Peak Input Current 為40mA，Average Input Current 為25mA，本次設(shè)計If取15mA；HCNR201的transfer gain為±5%，本次設(shè)計K取2%。

通過對比阻值，取最接近167K 的電阻值180K。

3.5 DC/DC供電隔離設(shè)計

在儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域中，對精度要求較高，需要使用單獨(dú)的隔離電源［7］。單個供電隔離性電源可以有效去除隔離電路間的接地環(huán)路，能夠有效切斷共模、浪涌等干擾信號的傳播途徑，降低電勢差和導(dǎo)線耦合干擾，提高共模干擾抑制性能和抗干擾能力。如圖6 所示，采集系統(tǒng)將模擬供電與數(shù)字供電分隔開，供電和參考地分隔開。

圖6 電源隔離設(shè)計

外部28V 信號給電源卡供電，進(jìn)入后利用2 個DC/DC 轉(zhuǎn)換器HHF28S5R2F 分別輸出5V 和VCC，VCC 用來給模擬電路供電，5V 用來給數(shù)字電路供電。VCC通過板間連接器進(jìn)入模擬電路后，按照隔離所需的供電電壓，分別使用獨(dú)立的DC/DC轉(zhuǎn)換器LTM8068 給調(diào)理電路供電，生成上圖3 中的5V_A～5V_F。數(shù)字電壓信號5V 進(jìn)入主控卡的LTM4644芯片，提供主控卡芯片所需的3.3V、2.5V、1.8V 和1.0V等電壓。實現(xiàn)了數(shù)字和模擬的隔離，以及隔離信號之間的隔離。

4 FPGA邏輯控制設(shè)計

4.1 ROM表的編幀設(shè)計

對比傳統(tǒng)的通道切換方法，需要在嵌入式軟件中寫出實現(xiàn)方法，切換順序按照幀結(jié)構(gòu)的排列方式執(zhí)行，這個方法在通道少時可以滿足要求。但是隨著需要采集的模擬量的數(shù)量增加，幀結(jié)構(gòu)［8］相應(yīng)也變得越來越復(fù)雜，相應(yīng)切換方法越來越復(fù)雜，需要考慮切換的板卡號、板卡的模擬開關(guān)號，代碼編寫越來越復(fù)雜。

為解決此問題，本設(shè)計提出將所有要考慮的因素統(tǒng)一起來進(jìn)行編碼，編寫好的二進(jìn)制地址放在一個文件里，這個文件叫做ROM 表，放在嵌入式軟件工程下。在進(jìn)行采集時，通過表中地址選擇板卡進(jìn)而選擇模擬開關(guān)輸出信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

根據(jù)總線設(shè)計需要3 個片選信號CS_1、CS_2和GLCJ，采集卡和隔離采集卡的模擬開關(guān)的使能信號。每個模擬開關(guān)最多輸出16 路信號，所以需要4個地址選通信號A0～A3。綜合考慮到編碼［9］的長度和編寫復(fù)雜程度，按照先片選信號，模擬開關(guān)信號次之，地址信號最后的順序依次完成編碼。三個片選各占一位，三塊卡的使能信號各使用兩位數(shù)表示，地址信號使用4 位數(shù)表示第1 通道到第16 通道。具體信號對應(yīng)關(guān)系如表1示。

表1 ROM表編碼格式

4.2 AD7667采樣時序分析

采編器的幀結(jié)構(gòu)一般由通信雙方協(xié)調(diào)，較為固定。本次設(shè)計要求子幀路采樣率［10］為10.24kHz，副幀路采樣率為80Hz，總采樣率為368.64kHz，所以采用29.4912MHz 的晶振80 分頻產(chǎn)生。全幀為36×128 字，所以幀最長為9.216KB，子幀長36 字，副幀長128字。子幀的第26、第27波道為副幀，第34波道為ID 字，范圍為0～127，第35、36 波道為同步字FDB1 8540。

如下圖7 所示，Cnvst 信號控制AD7667 進(jìn)而控制模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，Cnvst 低有效，在T10時刻開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成時刻為下次采集的開始；Addr 地址信號控制模擬開關(guān)ADG706 通道輸出，在T1 時刻前需要將ROM 表中的二進(jìn)制地址譯碼；AD_cs 控制ADG706［11］選通哪一塊板卡，AD_rd提供使能信號，只有AD_cs 和AD_rd 同時為低電平，模擬開關(guān)才可以選通；Byte 信號控制數(shù)據(jù)高8位低8位輸出，高電平有效，在T2和T6時刻完成高低數(shù)據(jù)的切換；Wclk 為分頻后時鐘，時鐘上升沿有效，在T5 和T11 時刻將已量化數(shù)據(jù)寫入fifo 中等待轉(zhuǎn)換。

圖7 AD時序圖

5 結(jié)果驗證

為了驗證本設(shè)計的高精度采集［12］要求，需要測試采集卡和隔離采集卡通道串?dāng)_程度。正常信號為直流電壓信號，測試當(dāng)其他相鄰?fù)ǖ佬盘柈惓r，對直流信號產(chǎn)生的串?dāng)_程度。任選兩個相鄰?fù)ǖ溃渲蠺F11 和TF12 為隔離采集卡相鄰?fù)ǖ?，TF11 輸入2V 直流信號，TF12 分別輸入2.5V 正弦波，2.5V三角波。

實物圖如圖8所示，搭建測試環(huán)境如圖9所示，系統(tǒng)聯(lián)試需要采編器、存儲器、信源測控臺、存儲器測試臺和地面綜合測控臺相互配合完成。通過隨機(jī)振動、高溫老練和溫循試驗來模擬飛行過程的惡劣環(huán)境，試驗過程中通過查看TF11 直流信號分層值來確定是否滿足精度要求。

圖8 采編器實物圖

圖9 系統(tǒng)聯(lián)試環(huán)境

三種信號分別由信源測控臺配置發(fā)出，通過1.5m 電纜進(jìn)入采編器進(jìn)行采集編幀［13］，再統(tǒng)一打包發(fā)送給存儲器存儲。存儲器收到下載數(shù)據(jù)指令后進(jìn)行數(shù)據(jù)回讀，每次回讀1G存儲器數(shù)據(jù)，對回讀的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分包，分包后的模擬量數(shù)據(jù)用地面測控臺上位機(jī)繪圖軟件［14］打開。因為其他通道沒有配置模擬量數(shù)據(jù)輸出，所以只需要關(guān)注這兩個通道數(shù)據(jù)，隨機(jī)選取一輪實驗得到下圖10～12。

圖10 2V直流電壓信號

圖11 2.5V正弦波信號

圖12 2.5V三角波信號

上位機(jī)繪圖清晰完整，波形穩(wěn)定規(guī)律。16 位二進(jìn)制數(shù)可以表示十進(jìn)制數(shù)的范圍為0～65535，所以縱軸用范圍為0～65535 來表示輸入信號0～5V 電壓。通過直流信號的分層值來計算采集精度：分層值/65535。如上圖9 所示，TF11 通道在正弦波的干擾下的分層值分別為35，計算此時采集精度為0.53‰，滿足技術(shù)指標(biāo)3‰。

通過直流信號的均值來計算采集精度：（Average 與理論值差值）/滿量程。信源測控臺配置下發(fā)2.0V 直流信號，實際用高精度萬用表測試為1.935V。由此可以計算出理論數(shù)字量為

如圖9所示，Average值為25328，采集精度為

通過分層值和均值計算出的采集精度一致，均滿足設(shè)計要求。由采集精度可以計算出最大分層值為

繪圖分層值小于197則滿足精度要求，TF11通道在三角波的干擾下的分層值為40，滿足精度要求。對比傳統(tǒng)只有采集卡的精度為3‰通用設(shè)計，本次隔離采集引入線性光耦隔離、DC/DC電源隔離和數(shù)字隔離器的隔離。線性光耦因為個體轉(zhuǎn)移增益不同而出現(xiàn)通道差異［15］，后期可以通過K、b系數(shù)標(biāo)定來具體確定各通道參數(shù)。此設(shè)計為共地和不共地混合集［16］采提供思路，具有很重要的工程價值，現(xiàn)已投入工程使用。

6 結(jié)語

本文設(shè)計的高精度通用型混合采集電路從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、采集和隔離采集原理入手，著重介紹了隔離設(shè)計，提高電路的抗干擾性；ROM 表的編幀設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)更多通道靈活切換和選通；AD 采集［16］時序分析能夠精準(zhǔn)采樣，保證時序銜接無誤。經(jīng)試驗驗證，該設(shè)計高精度和通用性都得到了驗證，未來提升的地方將ROM 表的編碼位數(shù)進(jìn)一步簡化，提高代碼通用性。