CN106841654A

CN106841654A - 一种六自由度运动记录仪

Info

Publication number: CN106841654A
Application number: CN201611209920.XA
Authority: CN
Inventors: 马游春; 鲍爱达; 熊继军; 刘文怡; 张文栋; 姜德; 吴正阳; 丁红晖; 苏庆庆
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2016-12-24
Filing date: 2016-12-24
Publication date: 2017-06-13

Abstract

本发明属于动态测试技术领域，具体为一种六自由度运动记录仪。包括外壳体，外壳体配套有顶盖和底座，底座上安装有框架，框架内部空间分为电池仓和存储部件仓，存储部件仓内设有数据采集存储部件，电池仓内设有电源部件，框架上安装有三向加速度部件和三向角速度部件，底座的底部设有微型读数接口、状态指示灯和对称的用于固定记录仪的螺纹安装孔，底座底部槽上配套有电池仓盖，采集存储部件包括三通道模拟DPDT双掷开关、同步串行A/D转换器、FPGA、多串行并行同步数据传输接口、带有双片选的单芯片NAND FLASH存储器、时钟、复位电路和电源管理模块。该记录仪满足实时记录研究对象的六自由度变化情况，有效的保存采集到的实验数据。

Description

一种六自由度运动记录仪

技术领域

本发明涉及一种飞行体六自由度的动态参数采集存储装置，主要用于实时记录被测对象的运动特征变化，为研究飞行体的运动特征参数提供了重要的依据，属于动态测试技术领域，具体为一种六自由度运动记录仪。

背景技术

随着信息化时代的快速发展，无论是航天航空测试技术、现代医学研究，还是对运动物体的实时记录，人们都离不开高速数据信息采集、信息处理技术的支持。由于日常生活对信息的需求快速增长，信息技术已成为支撑当今经济活动和社会生活的基石，但同时低功耗的节能环保思想也深入人心。信息技术数据采集也不再是局限于模拟量与数字量之间的转换，人们不再只是探索传统意义上信号采集方法的研究，而是追求采集数据系统的可控性、低功耗以及微型化。随着信息化时代的到来，信息采集技术已经深入到人们生活当中，信息技术开始朝着数字化的方向发展。模块化、低功耗、微型的独立系统和长时间的续航能力是目前数据采集技术发展的大方向。

随着人们对数据采集装置的要求越来越高，如何实现数据采集装置的低功耗，如何缩小采集系统的体型，如何建立简单、可控制性强的采集模式以及如何提高整个系统的续航能力等，都是科研人员有待解决的问题。所以研制一种模块化、参数可配置、操作简单、低功耗以及微型化的六自由度运动记录仪数据存储装置是十分必要的。

发明内容

为了克服以上现有技术的不足，本发明提出了一种低功耗、微型化、参数可配置、操作简单及模块化的六自由度运动记录仪，以满足实时记录研究对象的六自由度变化情况，有效的保存采集到的实验数据。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种六自由度运动记录仪，其特征在于包括外壳体，外壳体配套有顶盖和底座，底座上安装有框架，框架内部空间分为电池仓和存储部件仓，底座上还开有与电池仓连通的槽，存储部件仓内设有数据采集存储部件，电池仓内设有电源部件，框架上安装有三向加速度部件和三向角速度部件，底座的底部设有微型读数接口、状态指示灯和对称的用于固定记录仪的螺纹安装孔，底座底部槽上配套有电池仓盖，采集存储部件包括三通道模拟DPDT双掷开关、同步串行A/D转换器、FPGA、多串行并行同步数据传输接口、带有双片选的单芯片NAND FLASH存储器、时钟、复位电路和电源管理模块，三向加速度部件、三向角速度部件都与三通道模拟DPDT双掷开关连接，微型读数接口与FPGA连接，状态指示灯与FPGA连接。

上述的一种六自由度运动记录仪，底座侧面设有外螺纹，则记录仪具有三种安装方式：1）通过对称的用于固定记录仪的螺纹安装孔安装；2）通过底座外螺纹安装；3）通过顶部与底部压接的方式将产品直接固定在被测体中间。

上述的一种六自由度运动记录仪，数据采集存储部件还包括备用读数及程序下载口，则记录仪采用双读数口设计，其中微型读数接口置于底座上，用于数据回读、充电、上电、触发以及作为自检模拟的六自由度信号输入口；备用读数及程序下载口用于微型读数接口受到损坏情况下的数据回读，也可用于硬件程序的下载与调试，该接口直接将双排军座焊接于数据采集存储部件电路板上，可减少外接引线。

上述的一种六自由度运动记录仪，三向加速度部件与三向角速度部件都采用高强度螺纹连接，底部电池仓的电源部件可单独更换，电池仓和存储部件仓采用抗冲击聚胺脂柔性真空工艺灌封。

上述的一种六自由度运动记录仪，所述的数据采集存储部件的带有双片选的单芯片NAND FLASH存储器划分为独立的三个区：1）将片选1对应的首块作为参数配置存储区，配置参数包括触发方式、触发阈值、触发后的记录时间及上电后的低功耗等待时间；2）片选2对应的首块作为负延时采集触发结束后的地址信息存储区，用于回读数据时快速定位起点位置；3）其他块为负延时采集存储区，负延时时间在整个可用存储容量范围内可调。

本发明与现有技术相比优点是：

（1）本发明采用模块化设计，三向角速率、三向加速度及电源部件可更换，为不同量程的应用环境或部分传感部件损坏后的更换提供了方便；

（2）本发明将单芯片且具有双片选的FLASH存储器划分为三个独立的存储区，分别用于参数配置、触发停止采集后的地址信息保存及负延时数据采集存储区，省去了参数配置及负延时采集存储器，降低系统功耗的同时也节省了数据采集存储部件的体积；

（3）本发明采用三通道双掷模拟开关智能切换六路传感部件信号与地面自检测试平台提供的模拟信号，可在线实现数据采集存储功能的自检，提高了记录仪的可维护性。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图。

图2为底座的结构示意图。

图3为外壳体的结构示意图。

图4为采集存储部件的结构框图。

图5为负延时采集存储的工作流程图。

图6为参数配置工作流程图。

图7为多串行并行同步数据传输接口连接原理框图。

图中：1-数据采集存储部件，2-三向加速度部件，3-三向角速度部件，4-电源部件，5-三通道模拟DPDT双掷开关，6-同步串行A/D转换器，7-FPGA，8-多串行并行同步数据传输接口，9- FLASH存储器，10-时钟，11-复位电路，12-电源管理模块，13-备用读数及程序下载口，14-螺纹安装孔，15-微型读数接口，16-状态指示灯，17-电池仓盖，18-底座，19-引线孔，20-外壳体，21-顶盖，22-地面自检读数装置，23- USB电缆，24-计算机。

具体实施方式

下面将结合附图及实例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1、图2和图3，一种六自由度运动记录仪，包括数据采集存储部件1、三个三向加速度部件2、三个三向角速度部件3、电源部件4、备用读数及程序下载口13、底部4个对称的用于固定记录仪的螺纹安装孔14、微型读数接口15、状态指示灯16、底部电池仓盖17、底座18、引线孔19、圆筒状的外壳体20、顶盖21。

图4中采集存储部件1主要由三通道模拟DPDT双掷开关5，6个同步串行A/D转换器6）、无需配置存储器的FLASH型小封装FPGA7、多串行并行同步数据传输接口8、带有双片选的单芯片NAND FLASH存储器9、时钟10、复位电路11、电源管理模块12、备用读数及程序下载口13组成；三向加速度部件2、三向角速度部件3都与三通道模拟DPDT双掷开关5连接，三通道模拟DPDT双掷开关5、同步串行A/D转换器6、FPGA7和多串行并行同步数据传输接口8依次连接，FPGA7还和FLASH存储器9、时钟10、复位电路11、备用读数及程序下载口13、微型读数接口15、状态指示灯16连接，备用读数及程序下载口13还和多串行并行同步数据传输接口8连接。

记录仪工作之前，通过计算机24、USB电缆23和地面自检读数装置22给六自由度运动记录仪设置配置参数，该配置参数包括触发模式（阈值触发和外部断线触发）、触发阈值大小、记录仪上电后的延时低功耗等待时间及触发后的记录时间等，所有的配置参数通过多串行并行同步数据传输接口8及FPGA7控制程序保存于FLASH存储器9片选1对应的首块中，计算机也可以反过来读取记录仪中之前已经配置好的参数。使用时，可通过底部4个对称的用于固定记录仪的螺纹安装孔14、记录仪底座侧面外螺纹固定记录仪或直接将记录仪顶面与底面直接压接固定在飞行体上，通过微型读数接口15的上电控制线即可触发电源管理模块12上电过程，上电后记录仪自动读取配置参数并进行工作状态判读，如果记录仪已经擦除则进入低功耗延时等待状态，延时时间到则进入负延时待触发工作状态，如果记录仪中有数据则进入自保状态，避免二次触发造成已记录数据的覆盖。负延时采集过程中，三向角速度及三向加速度信号通过三通道模拟DPDT双掷开关5后进入6个同步串行A/D转换器6后变成数字量信号，FPGA7将采集的数据打包后存入FLASH存储器9中，负延时循环采集存储过程中一旦触发信号有效（阈值触发或外部断线触发），记录仪将继续记录到配置参数预定的记录时间后保存断点信息并停止记录，记录仪便进入微功耗自保状态。记录仪回收后可通过多串行并行同步数据传输接口8及微型读数接口15将数据快速回读到计算机，并通过计算机24配套的数据处理分析软件再现被测的运动参数。

参见图5，为FPGA控制单芯片双片选FLASH实现负延时采集存储的工作流程图，记录仪进行负延时采集时，首先从第二块开始对片选1与片选2同时进行块检测，检测到有效块后置片选1有效，发写命令后开始写入一页的数据，页地址加1后再判断是否第一页写结束，如果是则判断当前是否是片选一有效，如果是则置片选2有效并发擦除片选2对应块的命令，然后返回到开始的置片选1有效进行循环；如果写第一页后对应的是片选2有效，则块地址加1后进行双片选同时有效块检测，然后置片选1有效并发擦除命令，块地址减1后置片选2有效继续返回到写命令进行下一页的数据写入过程；如果当前写入的不是第一页的数据，则判断是否写入的是最后一页数据，不是则返回到写命令继续下一页数据的写入循环；如果是最后一页，则判断是否片选1当前块的最后一页，是则置片选2有效并返回到写命令继续从块的第一页开始写入数据；如果不是片选1当前块的最后一页，则块地址加1后判断触发信号是否有效，无效则返回到刚开始的位置继续双片选同时块检测的循环过程；如果检测到有效的触发信号，则延时计数器加1，判断延时计算器是否满，未满则返回到刚开始的位置继续双片选同时块检测的循环过程；满则置片选2有效，同时置块地址与页地址都为0，然后将触发延时记录结束位置的地址信息写入第0块第0页，以便于回读数据时可以快速定位数据的起点，保存结束后发送记录结束标志给电源管理模块12并进入微功耗自保状态。

参见图6，为参数配置工作流程图，首先通过计算机24、USB电缆23和地面自检读数装置22给六自由度运动记录仪设置配置参数，记录仪通过多串行并行同步数据传输接口8接收到需要的配置参数及配置命令后，将配置参数组合成有效的待存储数据，然后FPGA7控制程序发出擦除片选1首块的命令，再按照NAND FLASH页编程的时序要求，先写首块首页地址，再写入配置参数，最后写编程命令，然后返回主程序即完成参数配置过程。

参见图7，为多串行并行同步数据传输接口8连接原理框图，图中六自由度运动记录仪部分包含一个串行接收模块，用于接收地面自检读数装置发送过来的各种控制命令、状态或配置参数等，一个4路同步串行发送模块，具体的路数可根据数据传输带宽及接口数量的要求进行增减，具体的传输协议按照10位异步通信的格式进行传输，波特率可自行定义，发送数据时，4路8位有效数据按照帧格式同步发出，地面自检读数装置接收部分则同时接收到4路串行数据，接收到停止位后再一起按照协议的顺序将数据重新打包后上传到计算机，该设计可在不改变记录仪主频的情况下提高数据传输的带宽，同时不会显著增加记录仪总体功耗。

本发明在满足六自由度运动记录仪设计指标的基础上，尽可能的选用低功耗的器件，降低系统的工作主频，并通过智能电源管理的方法合理配置不同工种模式下的电源分配，从而达到降低系统功耗的目的， 1）设计中采用多串行口同步并行传输的方案，可在满足数据传输带宽的基础上有效降低系统的工作频率，从而达到降低系统功耗的目的，另外对于设计中的核心控制芯片FPGA7，可选用FLASH型ACTEL公司的NANO系列微型封装器件，既可降低采集板的体积，也可有效降低系统的功耗，而采用单芯片双片选的NAND FLASH实现负延时采集及配置参数的存储方案，也可以有效降低系统体积与功耗，有利于系统的微型化设计；2）利用NAND FLASH存储器首块存储器出厂时可保证为有效块的特点，将触发方式（阈值触发或外触发）、触发阈值、低功耗延时等待时间及触发后的记录时间等参数保存到首块的首页中，记录仪上工作之前自动读取配置参数，从而可实现记录仪参数可配置的目的，在实现该功能的同时可省去配置存储器的设计，即可节省空间也可降低系统功耗；3）采用三个轴向角速度、三个轴向加速度传感器独立封装、电源部件可更换及采集存储部件与主体结构一体化封装设计，在提高系统可靠性的基础上，实现了记录仪模块化设计的目的，并可根据测试环境的需要选用不同量程的传感器，从而提高了记录仪的使用灵活性；4）通过三通道双掷模拟开关将六路传感器信号和地面自检测试平台提供的六路模拟信号分别引入到6个同步串行A/D，正常工作时，三通道双掷模拟开关将六路传感器信号引入到A/D，而在记录仪自检时则将地面自检测试平台提供的六路模拟信号引入到6个同步串行A/D，这样用户在使用记录仪前就可以通过模拟的实验数据自动完成记录仪采集存储过程的自检，简化了操作过程，也节约了时间与成本。

Claims

1.一种六自由度运动记录仪，其特征在于包括外壳体（20），外壳体（20）配套有顶盖（21）和底座（18），底座（18）上安装有框架，框架内部空间分为电池仓和存储部件仓，底座（18）上还开有与电池仓连通的槽，存储部件仓内设有数据采集存储部件（1），电池仓内设有电源部件（4），框架上安装有三向加速度部件（2）和三向角速度部件（3），底座（18）的底部设有微型读数接口（15）、状态指示灯（16）和对称的用于固定记录仪的螺纹安装孔（14），底座（18）底部槽上配套有电池仓盖（17），采集存储部件（1）包括三通道模拟DPDT双掷开关（5）、同步串行A/D转换器（6）、FPGA（7）、多串行并行同步数据传输接口（8）、带有双片选的单芯片NAND FLASH存储器（9）、时钟（10）、复位电路（11）和电源管理模块（12），三向加速度部件（2）、三向角速度部件（3）都与三通道模拟DPDT双掷开关（5）连接，微型读数接口（15）与FPGA（7）连接，状态指示灯（16）与FPGA（7）连接。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度运动记录仪，其特征在于底座（18）侧面设有外螺纹，则记录仪具有三种安装方式：1）通过对称的用于固定记录仪的螺纹安装孔（14）安装；2）通过底座（18）外螺纹安装；3）通过顶部与底部压接的方式将产品直接固定在被测体中间。

3.根据权利要求1或2所述的一种六自由度运动记录仪，其特征在于数据采集存储部件（1）还包括备用读数及程序下载口（13），则记录仪采用双读数口设计，其中微型读数接口（15）置于底座（18）上，用于数据回读、充电、上电、触发以及作为自检模拟的六自由度信号输入口；备用读数及程序下载口（13）用于微型读数接口（15）受到损坏情况下的数据回读，也可用于硬件程序的下载与调试，该接口直接将双排军座焊接于数据采集存储部件（1）电路板上，可减少外接引线。

4.根据权利要求1或2所述的一种六自由度运动记录仪，其特征在于三向加速度部件（2）与三向角速度部件（3）都采用高强度螺纹连接，底部电池仓的电源部件（4）可单独更换，电池仓和存储部件仓采用抗冲击聚胺脂柔性真空工艺灌封。

5.根据权利要求1或2所述的一种六自由度运动记录仪，其特征在于所述的数据采集存储部件（1）的带有双片选的单芯片NAND FLASH存储器（9）划分为独立的三个区：1）将片选1对应的首块作为参数配置存储区，配置参数包括触发方式、触发阈值、触发后的记录时间及上电后的低功耗等待时间；2）片选2对应的首块作为负延时采集触发结束后的地址信息存储区，用于回读数据时快速定位起点位置；3）其他块为负延时采集存储区，负延时时间在整个可用存储容量范围内可调。