CN107153372B - 一种通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统 - Google Patents

一种通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及导弹、火箭、军用战车和战机研发中对振动、冲击、压力、应变和温度等数据的实时监测领域，提出了一种通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，包括控制模块和多个传感器采集模块，控制模块和多个传感器采集模块分别单独设置在缓冲壳体内；多个传感器采集模块依次堆叠连接后与控制模块堆叠连接，每个传感器采集模块包括多路独立的数据采集通道，传感器采集模块与控制模块之间通过M‑LVDS多点互联总线通信连接，控制模块用于对传感器采集模块供电，控制传感器采集模块从传感器采集数据、接收采集数据以及存储采集数据。本发明实现了传感器数据采集通道的灵活扩展，可广泛应用于数据采集领域。

Description

一种通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统
技术领域
本发明涉及导弹、火箭、军用战车和战机研发中对振动、冲击、压力、应变和温度等数据的实时监测，具体是一种通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统。
背景技术
在火箭、导弹研制过程中，需要进行振动、冲击等一系列测试，测试时需要实时监测弹内情况，把传感器输出的模拟信号经过数据采集系统采集后，由长线实时传送到地面设备。以便随时发现问题，及时采取措施，避免故障发生。为了保证导弹的设计、论证、研制能够顺利进行，有必要对导弹各个部件的试验激励参数进行实时监测。现有的导弹参数测试设备由于其自身结构所限，存在通道固化、体积过大、抗冲击能力相对较弱等问题，难以实现对导弹各个部件的试验激励参数进行同时监测，不利于测试装备的轻量化、集成化发展。基于此，有必要研制一种体积小、重量轻、功耗低、精度高、易扩展、易操作的通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，以解决上述测试装备存在的不足。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，使其可用于导弹、火箭、军用战车和战机等装备在研制、生产以及日常维护中对振动、冲击、压力、应变和温度等数据的采集和分析，能够为装备测试与评估提供直观精确的数据。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，包括控制模块、多个传感器采集模块和多个缓冲壳体，所述控制模块和多个传感器采集模块分别通过灌封材料封装后，分别单独设置在缓冲壳体内；多个所述传感器采集模块依次堆叠连接后与所述控制模块堆叠连接，设置所述多个传感器采集模块的缓冲壳体之间的接触表面上均设置有M-LVDS通信接口和电源接口，每个传感器采集模块包括多路独立的数据采集通道，所述传感器采集模块与所述控制模块之间通过M-LVDS多点互联总线通信连接，所述控制模块用于对所述传感器采集模块供电，控制所述传感器采集模块从传感器采集数据、接收采集数据以及存储采集数据。
所述控制模块包括M-LVDS总线接口电路，触发接口电路、USB通信接口电路、电压转换电路、数据缓存单元、FLASH存储单元以及FPGA基础模块，所述电压转换电路用于给所述控制模块以及传感器采集模块供电，所述FPGA基础模块通过M-LVDS总线接口电路与所述传感器采集模块连接，通过触发接口电路与外部触发器连接，通过USB通信接口电路与计算机连接，所述FPGA基础模块用于接收外部触发器发送的触发信号和计算机发送的数据接收命令，以及根据所述触发信号和数据接收命令接收所述传感器采集模块采集的数据并进行数据编帧后发送到所述数据缓存单元和FLASH存储单元进行存储。
所述FPGA基础模块包括M-LVDS收发器通信管理单元、外部触发管理单元、USB通信管理单元、数据缓存控制器，数据存储控制器、控制命令发生器和仲裁单元，所述外部触发管理单元与触发接口电路和控制命令发生器连接，用于将触发信号传输到控制命令发生器，所述USB通信管理单元与USB通信接口电路和控制命令发生器连接，用于将计算机传输的数据接收命令进行解析后发送到控制命令发生器，控制命令发生器与M-LVDS收发器通信管理单元连接，用于根据触发信号和数据接收命令生成数据采集命令后通过M-LVDS收发器通信管理单元发送到传感器采集模块；M-LVDS收发器通信管理单元与数据缓存控制器和数据存储控制器连接，用于将传感器采集模块采集的数据进行数据编帧后发送到数据缓存单元、FLASH存储单元存储，所述仲裁单元与所述数据缓存控制器和USB通信管理单元连接，用于将数据缓存单元和FLASH存储单元存储的数据通过USB通信管理单元发送至计算机。
所述传感器采集模块包括接口模块、程控放大模块、程控滤波模块、AD转换模块、数据缓存模块、M-LVDS接口芯片、FPGA核心控制器和电压转换模块，所述接口模块与传感器连接，用于给所述传感器供电以及接收传感器采集信号，传感器采集的信号经所述接口模块、程控放大模块、程控滤波模块后、AD转换模块后传输到所述FPGA核心控制器，所述FPGA核心控制器通过FIFO将数据缓存到所述数据缓存模块，并在收到数据请求指令后，从FIFO模块中读取数据并通过M-LVDS接口芯片传输给控制模块；所述FPGA核心控制器用于判断各个采集通道的状态，并通过M-LVDS总线发送给控制模块，所述FPGA核心控制器还用于接收所述控制模块传输的配置参数和采集指令，以及对所述程控放大模块、程控滤波模块、AD转换模块的数据处理过程进行控制。
所述传感器采集模块分别为IEPE传感器采集模块或桥式传感器采集模块；当所述传感器采集模块为IEPE传感器采集模块时，所述接口模块为IEPE接口模块，所述IEPE接口模块与IEPE传感器连接，用于给IEPE传感器提供恒流，以及接收IEPE传感器的采集信号；当所述传感器采集模块为桥式传感器采集模块时，所述接口模块为桥式传感器接口模块，所述桥式传感器接口模块与桥式传感器连接，用于给桥式传感器提供电压激励，以及接收桥式传感器的采集信号。
所述程控放大模块包括仪表放大器AD8226和可变增益放大器AD603，所述程控滤波模块包括四阶巴特沃斯滤波电路和基于MAX264的程控滤波器；所述AD转换模块型号为AD7693。
每个所述传感器采集模块上设置有3个传感器接口，所述传感器采集模块包括3个AD转换模块，形成3路独立的采集通道。
所述数据采集系统包括10个传感器采集模块。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明的一种通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，采用微型结构化设计思想，通过将多个传感器采集模块与控制模块分别单独设置在缓冲壳体内，并分别通过缓冲壳体上的M-LVDS多点互联总线连接，实现了传感器数据采集通道的灵活、有效扩展，数据采集通道可扩展至30个，单通道最高采样率为500KSa/s，有效数据位宽为16位，采样带宽为0~40KHz；
2、本发明的一种通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，传感器采集模块中，将信号放大、滤波、采集、存储和传输等过程按模块化设计，在保证功能的控制上尽量缩小系统的占用空间，进一步提高了系统的可靠性；
3、此外，本发明的数据采集系统适用于各种恶劣环境下对振动、冲击、压力、应变和温度等数据的采集，可应用于对武器装备的检验及性能评估，提升我国对军事装备的维护和保障能力。
附图说明
图1为控制模块的外形结构示意图；
图2为IEPE传感器采集模块的外形结构示意图；
图3为桥式传感器采集模块的外形结构示意图；
图4为本发明实施例提出的一种通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统的外形结构示意图；
图5为本发明实施例提出的一种通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统的电路结构示意图；
图6为控制模块的电路结构示意图；
图7为桥式传感器采集模块的电路结构示意图；
图8为IEPE传感器采集模块的电路结构示意图；
图9为计算机中的整机软件层次框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1~5所示，本发明实施例提供了一种通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，包括控制模块1、多个传感器采集模块2和多个缓冲壳体3，所述控制模块2和多个传感器采集模块2分别通过灌封材料封装后，分别单独设置在缓冲壳体3内；多个所述传感器采集模块2依次堆叠连接后与所述控制模块堆叠连接，设置所述多个传感器采集模块2的缓冲壳体之间的接触表面上均设置有M-LVDS通信接口和电源接口，每个传感器采集模块包括多路独立的数据采集通道，所述传感器采集模块与所述控制模块之间通过M-LVDS多点互联总线通信连接，所述控制模块用于对所述传感器采集模块供电，控制所述传感器采集模块从传感器采集数据、接收采集数据以及存储采集数据。
本发明结构设计采用模块化叠加的设计方法，为了使堆叠式微型数据采集系统能够应用于强振动、高冲击等复杂而恶劣的环境，必须采取有效的防护措施，以保证在高冲击环境下所研制微型数据采集系统能够正常工作。为了减少外部冲击力对微型数据采集系统产生的影响，采取了缓冲保护技术、灌封保护技术和微型化技术，这些措施可以有效地提高微型数据采集系统的抗冲击能力。通过采用缓冲保护技术，利用缓冲体的弹塑性变形减弱外部冲击，能有效保护内部电路。缓冲体除了起缓冲减振作用外，它还能够有效地隔离或衰减载体与目标撞击时在其内部形成的应力波，并防止微型数据采集系统与载体之间的钢性撞击。此外，系统采取灌封保护技术，将加工好的电路采用特制灌封材料进行封装，使其成为结构一体化的电路体，使系统能可靠地工作。通过优化电路结构，相关电路进行简化设计，使所用元器件数量最少，功耗最低，多采用平面封装的FPGA和IC器件，并采取特殊的PCB板加工工艺，以有效地减小电路模块的体积，以10的数据采集模块为例，本发明的堆叠式微型数据采集系统的尺寸可以减小到65 mm×65 mm×170mm。从而有效地提高系统的抗冲击能力，增加系统的环境适应性。
进一步地，如图5和图6所示，所述控制模块包括M-LVDS总线接口电路，触发接口电路、USB通信接口电路、电压转换电路、数据缓存单元、FLASH存储单元以及FPGA基础模块，所述电压转换电路用于给所述控制模块以及传感器采集模块供电，所述FPGA基础模块通过M-LVDS总线接口电路与所述传感器采集模块连接，通过触发接口电路与外部触发器连接，通过USB通信接口电路与计算机连接，所述FPGA基础模块用于接收外部触发器发送的触发信号和计算机发送的数据接收命令，以及根据所述触发信号和数据接收命令接收所述传感器采集模块采集的数据并进行数据编帧后发送到所述数据缓存单元和FLASH存储单元进行存储。
进一步地，如图6所示，所述FPGA基础模块包括M-LVDS收发器通信管理单元、外部触发管理单元、USB通信管理单元、数据缓存控制器，数据存储控制器、控制命令发生器和仲裁单元，所述外部触发管理单元与触发接口电路和控制命令发生器连接，用于将触发信号传输到控制命令发生器，所述USB通信管理单元与USB通信接口电路和控制命令发生器连接，用于将计算机传输的数据接收命令进行解析后发送到控制命令发生器，控制命令发生器与M-LVDS收发器通信管理单元连接，用于根据触发信号和数据接收命令生成数据采集命令后通过M-LVDS收发器通信管理单元发送到传感器采集模块；M-LVDS收发器通信管理单元与数据缓存控制器和数据存储控制器连接，用于将传感器采集模块采集的数据进行数据编帧后发送到数据缓存单元、FLASH存储单元存储，所述仲裁单元与所述数据缓存控制器和USB通信管理单元连接，用于将数据缓存单元和FLASH存储单元存储的数据通过USB通信管理单元发送至计算机，其中，数据缓存单元可以为DDR2 SDRAM，数据缓存控制器可以为DDR2SDRAM控制器。
进一步地，如图5所示，所述传感器采集模块包括接口模块、程控放大模块、程控滤波模块、AD转换模块、数据缓存模块、M-LVDS接口芯片、FPGA核心控制器和电压转换模块，所述接口模块与传感器连接，用于给所述传感器供电以及接收传感器采集信号，传感器采集的信号经所述接口模块、程控放大模块、程控滤波模块后、AD转换模块后传输到所述FPGA核心控制器，所述FPGA核心控制器通过FIFO将数据缓存到所述数据缓存模块，并在收到数据请求指令后，从FIFO模块中读取数据并通过M-LVDS接口芯片传输给控制模块；所述FPGA核心控制器用于判断各个采集通道的状态，并通过M-LVDS总线发送给控制模块，所述FPGA核心控制器还用于接收所述控制模块传输的配置参数和采集指令并发送到所述接口模块，以及对所述程控放大模块、程控滤波模块、AD转换模块的数据处理过程进行控制，数据缓存模块可以为IDT7208。
进一步地，如图5、图7和图8所示，传感器采集模块可以分别为IEPE传感器采集模块或桥式传感器采集模块；当所述传感器采集模块为桥式传感器采集模块时，所述接口模块为桥式传感器接口模块，所述桥式传感器接口模块与桥式传感器连接，用于给桥式传感器提供电压激励，以及接收桥式传感器的采集信号；当所述传感器采集模块为IEPE传感器采集模块时，所述接口模块为IEPE接口模块，所述IEPE接口模块与IEPE传感器连接，用于给IEPE传感器提供恒流，以及接收IEPE传感器的采集信号。桥式传感器指的是桥路原理的传感器，IEPE传感器指的是一种自带电量放大器或电压放大器的加速度传感器。桥式传感器采集模块采集信号的输入量程为0.1~4.9V，以2.5V为偏置中心；采集信号带宽为DC至40kHz，单通道最高采样率为500kSa/s，桥式传感器采集模块对传感器供电电压为5V，开关可控，可外接3线制或4线制桥式传感器。IEPE传感器采集模块采集信号的输入量程为0.5～23.5V，以12V为偏置中心；采集信号带宽为DC至40kHz，单通道最高采样率为500kSa/s，；模块对传感器供电电压为12V，开关可控；可实现0dB~+62.14dB之间的增益调整。
进一步地，所述程控放大模块包括仪表放大器AD8226和可变增益放大器AD603，所述程控滤波模块包括四阶巴特沃斯滤波电路和基于MAX264的程控滤波器；所述AD转换模块型号为AD7693，数据位宽为16位。为了提高采集系统对微弱信号的采集能力，使采集信号的幅值与A/D转换芯片的输入量程相一致，采用两级放大的方式对采集信号做放大处理。采用仪表放大器AD8226和可变增益放大器AD603设计程控增益放大电路，通过两级放大对信号进行调理。程控滤波模块主要根据滤波参数对采集信号进行程控滤波。程控滤波模块主要由四阶巴特沃斯滤波电路与基于MAX264的程控滤波器组成，可实现0dB~+62.14dB之间的增益调整，内置巴特沃斯滤波器截止频率为40kHz；能根据被采集信号的带宽对程控滤波器的Q值以及截止频率进行调节，通过设置不同的工作方式可以实现不同的滤波功能。本发明中程控滤波电路的核心电路可以是程控开关电容滤波器MAX264，通过FPGA来实现程控功能。
进一步地，如图5所示，每个所述传感器采集模块上设置有3个传感器接口，所述传感器采集模块包括3 个AD转换模块，形成3路独立的采集通道。
进一步地，所述数据采集系统包括10个传感器采集模块，则本发明的数据采集系统可以扩展到30个数据采集通道。
如图9所示，本发明的系统软件设计采用面向对象的设计方法。整机软件采用Win7作为开发平台，整个软件设计采用模块化思想，主要包括主控程序、设备驱动程序、参数配置程序和模块功能程序。通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统上位机是一个以硬件为控制，软件、硬件紧密结合的整体，具体包括输入参数配置模块、存储参数配置模块、程控参数配置模块、标定参数配置模块、数据采集控制模块、数据存储控制模块、数据分析处理模块、波形显示模块、数据管理模块、以太网接口驱动、USB接口驱动等部分。应用程序主界面设计为几个功能独立的区域，依次为功参数设置区、状态显示区、数据分析区、功能菜单区。用户可以通过上位机实时控制每一个通道采集，具备对微弱信号放大与滤波等调理过程的程序控制，能通过上位机输入配置信息，并支持数据回放。
本发明一种通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，将信号放大、滤波、采集、存储和传输等过程按模块化设计，在保证功能的控制上尽量缩小系统的占用空间，进一步提高了系统的可靠性，抗冲击能力可达1000g，通过可视化人机交互式界面进行操作，具备实用性强的软件触发和硬件触发等多种触发方式；采集系统满载时单通道最高采样率为500KSa/s，有效数据位宽为16位，采样带宽为0~40KHz；采集通道的数量可根据具体测试情况灵活扩展，单个采集堆叠最多可扩展至30个采集通道；采集模块拥有64KB的缓存容量，控制模块拥有32 GB的存储空间，可以实时记录采集数据；具有数据管理功能，具备USB3.0标准接口；具有连接桥式传感器、IEPE类型传感器的功能；具有按通道显示数据波形以及数据分析与处理等功能。可用于导弹、火箭、军用战车和战机等装备在研制、生产以及日常维护中对振动、冲击、压力、应变和温度等数据的采集和分析，能够为装备测试与评估提供直观精确的数据。能够极大地方便武器装备对数据的获取、传输、处理与分析能力，为武器装备的研制、测试和试验提供重要的数据支持，以进一步提高武器装备的可靠性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，其特征在于，包括控制模块、多个传感器采集模块和多个缓冲壳体，所述控制模块和多个传感器采集模块分别通过灌封材料封装后，分别单独设置在缓冲壳体内；多个所述传感器采集模块依次堆叠连接后与所述控制模块堆叠连接，设置所述多个传感器采集模块的缓冲壳体之间的接触表面上均设置有M-LVDS通信接口和电源接口，每个传感器采集模块包括多路独立的数据采集通道，所述传感器采集模块与所述控制模块之间通过M-LVDS多点互联总线通信连接，所述控制模块用于对所述传感器采集模块供电，控制所述传感器采集模块从传感器采集数据、接收采集数据以及存储采集数据；
所述传感器采集模块包括接口模块、程控放大模块、程控滤波模块、AD转换模块、数据缓存模块、M-LVDS接口芯片、FPGA核心控制器和电压转换模块，所述接口模块与传感器连接，用于给所述传感器供电以及接收传感器采集信号，传感器采集的信号经所述接口模块、程控放大模块、程控滤波模块后、AD转换模块后传输到所述FPGA核心控制器，所述FPGA核心控制器通过FIFO将数据缓存到所述数据缓存模块，并在收到数据请求指令后，从FIFO模块中读取数据并通过M-LVDS接口芯片传输给控制模块；所述FPGA核心控制器用于判断各个采集通道的状态，并通过M-LVDS总线发送给控制模块，所述FPGA核心控制器还用于接收所述控制模块传输的配置参数和采集指令，以及对所述程控放大模块、程控滤波模块、AD转换模块的数据处理过程进行控制。
2.根据权利要求1述的通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，其特征在于，所述控制模块包括M-LVDS总线接口电路，触发接口电路、USB通信接口电路、电压转换电路、数据缓存单元、FLASH存储单元以及FPGA基础模块，所述电压转换电路用于给所述控制模块以及传感器采集模块供电，所述FPGA基础模块通过M-LVDS总线接口电路与所述传感器采集模块连接，通过触发接口电路与外部触发器连接，通过USB通信接口电路与计算机连接，所述FPGA基础模块用于接收外部触发器发送的触发信号和计算机发送的数据接收命令，以及根据所述触发信号和数据接收命令接收所述传感器采集模块采集的数据并进行数据编帧后发送到所述数据缓存单元和FLASH存储单元进行存储。
3.根据权利要求2所述的通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，其特征在于，所述FPGA基础模块包括M-LVDS收发器通信管理单元、外部触发管理单元、USB通信管理单元、数据缓存控制器，数据存储控制器、控制命令发生器和仲裁单元，所述外部触发管理单元与触发接口电路和控制命令发生器连接，用于将触发信号传输到控制命令发生器，所述USB通信管理单元与USB通信接口电路和控制命令发生器连接，用于将计算机传输的数据接收命令进行解析后发送到控制命令发生器，控制命令发生器与M-LVDS收发器通信管理单元连接，用于根据触发信号和数据接收命令生成数据采集命令后通过M-LVDS收发器通信管理单元发送到传感器采集模块；M-LVDS收发器通信管理单元与数据缓存控制器和数据存储控制器连接，用于将传感器采集模块采集的数据进行数据编帧后发送到数据缓存单元、FLASH存储单元存储，所述仲裁单元与所述数据缓存控制器和USB通信管理单元连接，用于将数据缓存单元和FLASH存储单元存储的数据通过USB通信管理单元发送至计算机。
4.根据权利要求1所述的通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，其特征在于，所述传感器采集模块分别为IEPE传感器采集模块或桥式传感器采集模块；
当所述传感器采集模块为IEPE传感器采集模块时，所述接口模块为IEPE接口模块，所述IEPE接口模块与IEPE传感器连接，用于给IEPE传感器提供恒流，以及接收IEPE传感器的采集信号；
当所述传感器采集模块为桥式传感器采集模块时，所述接口模块为桥式传感器接口模块，所述桥式传感器接口模块与桥式传感器连接，用于给桥式传感器提供电压激励，以及接收桥式传感器的采集信号。
5.根据权利要求1所述的通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，其特征在于，所述程控放大模块包括仪表放大器AD8226和可变增益放大器AD603，所述程控滤波模块包括四阶巴特沃斯滤波电路和基于MAX264的程控滤波器；所述AD转换模块型号为AD7693。
6.根据权利要求1所述的通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，其特征在于，每个所述传感器采集模块上设置有3个传感器接口，所述传感器采集模块包括3 个AD转换模块，形成3路独立的采集通道。
7.根据权利要求1所述的通道可扩展的堆叠式微型数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统包括10个传感器采集模块。
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