CN108063799A - 一种串行分布式模拟量机载采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明提出一种串行分布式模拟量机载采集系统，包括集成控制主机、总线控制器以及总线接口模块；集成控制主机由一台高性能工作站构成，通过交换机与总线控制器实现通讯；总线控制器实现对总线接口模块采集信息的汇聚和基本数据处理，通过交换机完成数据的交换传输、时间同步；总线接口模块加装不同类型传感器，实现各类参数的信号调理、数据采集。本发明基于RS485总线技术，将信号调理单元安装于传感器附近，每个信号调理单元通过一根线连接至采集系统，大量减少整个系统的线缆敷设数量，提高系统的可靠性，并适合在狭窄空间里进行安装和测试，有效解决大型民机测试线缆过多、改装工作量大、穿舱协调复杂等问题。

Description

一种串行分布式模拟量机载采集系统

技术领域

本发明属于飞行试验领域，具体涉及一种串行分布式模拟量机载采集系统。

背景技术

飞行试验是航空装备及民用飞机研制过程中必不可少的重要组成环节，它是在真实飞行环境下对飞行器、机载设备或装备进行试验的过程，具有风险高、周期长、投入大、探索性强等特点，飞行试验的目的是验证理论和地面试验的结果，鉴定飞机的设计指标、适航和使用性能。

在飞行试验中需要测量大量参数，涉及高度、速度、压力、温度、力、振动、过载、姿态、位移、角速度、流量、迎角、侧滑角、电流(压)、应变、噪声、空间位置等十几种类型，需要实现多种功能、不同接口方式的传感器布置、采集和信息传输等，但在此过程中，存在传感器布局布线复杂、传输线缆过多、重量过大等问题，特别是许多参数位于机翼、尾段、机头等空间狭窄的区域，还需要考虑线缆穿舱，由此带来的飞机结构上的开孔必将产生更多的问题，所以需要针对试飞测试中多种功能、不同接口方式的传感器布置、采集和信息传输等，解决传感器布局布线复杂、传输线缆过多、体量过大等问题，研究并部署层次化、开放式的智能传感系统，实现部分单元的无线互联，降低系统成本和安装、部署的复杂程度，同时有效降低系统规模、重量以实现系统设计的优化。

传统PCM架构的机载测试系统一般采用集中采集的方式，数据采集和传输速率相对较低。随着测试技术的发展，网络化机载测试系统出现，如空客A380飞机上采用了基于以太网的网络化机载测试系统，ARJ21飞机上采用了PCM和以太网混合结构的机载测试系统。网络化机载测试系统对线缆的减少有一定的促进作用，但仍无法解决从采集端到交换机这段链路上的线缆繁多问题，而这段链路作为整个测试系统的前端，对可靠性要求较高，一旦出现故障，整个后端都无法正常工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种串行分布式模拟量机载采集系统，以满足国内日益迫切的民机测试需求，实现层次化、开放式的自主研发的串行分布式模拟量机载采集，实现简洁的互联互通，降低系统成本和安装、部署的复杂程度，同时有效降低系统规模、重量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种串行分布式模拟量机载采集系统，包括集成控制主机、总线控制器以及总线接口模块；所述集成控制主机由一台高性能工作站构成，用于系统应用软件的调试、运行、实现及二次开发，通过交换机与所述总线控制器实现通讯；所述总线控制器实现对所述总线接口模块采集信息的汇聚和基本数据处理，通过交换机完成数据的交换传输、时间同步；所述总线接口模块加装不同类型传感器构成采集节点，实现各类参数的信号调理、数据采集，通过RS485总线完成数据传输、时间同步、设备配置。

优选的，所述集成控制主机连接到机载采集网络系统中并与其他网络化机载采集器分配于一个子网中，在所述集成控制主机的插槽中插入所述总线控制器，然后由所述总线控制器的数传接口引出一根线缆，作供电与通讯之用，经过电源适配器的隔离，形成稳定的信号，连接到各个总线采集接口上，所述总线接口模块在系统工作时直接挂在线缆的分支点上，上电后开始采集工作。

优选的，所述总线接口模块硬件由传感器通道、A/D数采、FPGA、RS485接口以及电源管理模块组成；所述传感器通道包括前置电路、程控恒流恒压源、可变增益放大电路，串行数据采集单元和控制单元；所述控制单元通过IIC通信总线和通用IO与所述前置电路、所述程控恒流恒压源、所述可变增益放大电路相连，通过SPI通信总线与所述串行数据采集单元相连，控制数据采集和传输；所述传感器通道每通道可通用接入包括应变片、热电阻、热电偶、振动和压力传感器在内的各种传感装置，完成不同物理参数的测量。

优选的，所述传感器通道的工作流程包括如下步骤：通过传感器类型确定，前端配置桥电路、上拉下来电阻、激励源类型等参数，以获取正确的信号输入输出；激励源通过默认配置输出激励源信号分别实现程控电流源和电压源，然后通过继电器选择输出；电压源输出为0V～15V，输出电流最大值为500mA；电流源输出为0mA～50mA，最大输出电压28V；可增益放大器配合输出的激励源信号获取最优信号采集范围，实现1/8-128级信号增益，带宽为6Mhz；选择最优的滤波器参数，实现64级中心频率、128级品质因数的智能控制；完成指定采样率的多通道同步数据采集，采样率支持到500Ksps，数据位宽为12bits，输出采用SPI串行通信接口；通过内置表查询功能实现通道校准并且片内查找表支持多点温度校准。

优选的，所述步骤可增益放大器配合输出的激励源信号获取最优信号采集范围中采集范围寻优的工作流程包括如下步骤：从站模块通过可变增益放大器和程控激励源，共同展开参数寻优，找到使被采信号处于数采的最优范围，在程控激励源输出较大时，调整可变增益放大器获取最优配置；最优配置计算后存储在增益匹配表中，根据数采数据到表中寻取，之后再一次进行测试并且微调可变增益放大器和程控激励源。

优选的，所述步骤选择最优的滤波器参数中滤波器参数寻优的工作流程包括如下步骤：首先设定程控滤波器不滤波，之后通过数采采集数据并且计算信号频率范围，通过信号频率范围去查找滤波参数表，并且根据查找参数设定滤波器，之后重新采样并再次判断信号范围以确定参数设定正常。

优选的，在所述采集节点正确配置并建立时间同步后，采集数据采用超帧结构进行通讯，所述超帧结构包括GTS、CAP、CFP；所述GTS为保证时隙为活动超帧的一部分，为特殊应用开辟例如时间同步；所述CAP为竞争接入区，任何设备想在此时通讯，必须采用CSMA-CA竞争方式，此区域给配置等命令预留；所述CFP为非竞争区，按照时隙安排进行通讯。

优选的，所述超帧结构采用基于时间同步的分时隙传输算法生成：将所有挂接在RS-485总线上的采集节点分别占用总线并传输一次数据的时间视为时隙总时间，每个采集节点传输自身数据所需要的时间视为分时隙；每次传输数据时，各个采集节点在固定的时间片段之内获得总线使用权，并向上层设备发送数据。

优选的，实现所述基于时间同步的分时隙传输算法的系统包括如下功能模块：时钟同步模块：用于将各采集节点模块的本地时间与机载数据采集系统的主时钟设备时间进行同步，保证整个系统在同一的时标之下运行，为数据的分时隙传输提供基础；备通过RS-485总线以时间同步信息帧的方式与主时钟设备进行时间信息交互的功能，能够进行本地时间与系统主时钟设备时间的对比，得到时间校正量后传给本地时钟计时器模块；本地时间计数模块：用于在系统运行时实时记录各采集模块本地时间，同时根据时间同步模块得到的时间矫正量结果，矫正本地时间，实现本地时钟在设定的精度范围之内与系统主时钟同步；时隙判断模块：用于判断采集节点是否正处于自己所占用的时隙之中；实现对于自身发送数据量的判断、当前总线占用时隙的判断；根据自身采集节点所采集的参数类型得到所采集数据的频率，结合总线的速度计算出一次数据发送所需占用的时间；根据总线所挂载的模块数量及类型情况，动态的判断自身采集模块应该占用哪一个时隙；数据缓存FIFO：用于对所采集到的数据进行暂时性缓存，当不处于自身占用总线的时隙时，采集到的数据被存到数据缓存FIFO中，当时隙判断模块判定为自身占用的时隙时，数据缓存FIFO中存储的数据提出并进行下一步数据组帧操作；时间戳FIFO：当采集数据被存入数据缓存FIFO时，根据与系统主时钟设备同步后的本地时钟计数器结果同步为所采集到的数据进行时间戳记录，并将所记录到的时间戳存入时间戳FIFO中；数据组帧模块：判断为自身采集模块所占用的时隙后，将数据及时间戳按照固定格式进行组帧，采用2字节前导码7E4Ch代表一帧数据起始，采用各占1字节的目的ID和源ID表征数据发送目的地及数据来源，采用2字节数据长度位记录整帧数据字节长度，最多可记录65532个字节长度；采用4字节以32位精度记录时间戳，其余字节用于根据采集的实际情况记录采集数据；数据发送模块：将组帧完成的数据进行串行发送，采用1作为每字节数据的发送开始，0作为每字节数据的发送结束标志；将数据帧按字节进行发送。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出一种串行分布式模拟量机载采集系统，该系统基于RS485总线技术，将信号调理单元安装于传感器附近，每个信号调理单元通过一根线连接至采集系统，大量减少整个系统的线缆敷设数量，提高系统的可靠性，并适合在狭窄空间里进行安装和测试，有效解决大型民机测试线缆过多、改装工作量大、穿舱协调复杂等问题。

附图说明

图1为本发明测试系统的原理框图。

图2为总线接口模块的原理框图。

图3为多功能传感器采集通道原理框图。

图4为多功能传感器采集通道工作流程图。

图5为采集范围寻优工作流程图。

图6为滤波器参数寻优工作流程图。

图7为数据采集节点整体框图。

图8为数据采集节点控制单元框图。

图9为数据帧格式图。

图10为超帧结构图。

图11为基于时间同步分时隙传输原理。

图12为时隙分配示意图。

图13为数据组帧格式图。

图14为本发明在机载测试系统中的实施方式图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。

本发明提供以下技术方案：

1、串行分布式模拟量机载采集系统，系统方案如图1。

1.1、集成控制主机：

(1)由一台高性能工作站构成，用于该系统应用软件的调试、运行、实现及二次开发；

(2)可通过交换机与总线控制器实现通讯。

1.2、总线控制器：

(1)实现总线接口模块采集信息的汇聚和基本数据处理；

(2)通过交换机完成数据的交换传输、时间同步。

1.3、总线接口模块：

(1)加装不同类型传感器，实现各类参数的信号调理/数据采集；

(2)通过RS485总线完成数据传输/时间同步/设备配置。

总线接口模块的硬件方案框图如图2所示，可见总线接口模块硬件由传感器通道、A/D数采、FPGA、RS485接口以及电源管理模块组成。

1.3.1、RS485接口设计

接口即插即用，可分为两个层次的内容，一方面硬件接口层需要实现热插拔，在设备可靠接入的基础上，保证设备接入不会对总线及总线上其它设备造成影响。另一方面，在设备驱动层可有效发现设备，并且可以对设备正确配置。综上，接口具备热插拔和防静电和瞬时有限的过压的能力。

1.3.2、传感器通道设计

本发明提供多功能传感器采集通道，如图3所示，包括前置电路、程控恒流恒压源、可变增益放大电路，串行数据采集和32位控制单元。控制单元通过IIC通信总线和通用IO与前置电路、程控恒流恒压源、可变增益放大电路相连，通过SPI通信总线与串行数据采集单元相连，控制数据采集和传输。此多功能传感器通道同时集成传感器前置放大、驱动、数据采集等功能可适用与温度、湿度、压力、振动、应变等多种类型和不同电气或通信接口的传感器。其特征在于控制单元通过IIC通信总线和通用IO与前置电路、程控恒流恒压源、可变增益放大电路相连，通过SPI通信总线与串行数据采集单元相连，控制数据采集和传输。每通道可通用接入应变片、热电阻、热电偶、振动和压力等传感器，完成不同物理参数的测量，以便满足机载采集背景下，环境条件制约导致的不同传感器信号的采样需求。

模块需要具备4路通用采集通道。单通道指标如下：

1)可编程增益放大

每通道可提供32级可变增益放大，1级可控衰减；

可配合输出灵敏度从1mV/V至200mV/V的传感器使用。

2)可编程低通滤波器

每通道可实现8阶Butterworth低通滤波；

符合机载采集环境下的通用滤波需求。

3)可编程电压电流激励源

可提供2-20mA可配置电流激励和4-12V可控电压激励；

符合机载采集环境下常见传感器的供电需求。

4)温度补偿与校准需求

每通道可独立配置温度补偿曲线，并通过内置表查询可实现通道校准。

1.3.2.1、采集通道详细说明：

a)前端电路：实现通用接入应变片、热电阻、热电偶、振动和压力等传感器，通过继电器实现多种传感器输入匹配，针对应变片构建桥电路并且接入程控电压源；热电阻也需要构建桥电路并且根据三线、四线不同配置接入程控电压源或程控电流源；热电偶可以直接转换采集；振动传感器需要接入程控电流源，并且同路信号上测试振动信号；压力传感器需要接入电压源

b)可编程增益放大在每通道可提供32级可变增益放大，1级可控衰减；以配合输出灵敏度从1mV/V至200mV/V的传感器使用；

c)可编程电压电流激励源提供2-20mA可配置电流激励和4-12V可控电压激励。

d)可编程低通滤波器通过编程设置对中心频率和品质因数，实现64级中心频率、128级品质因数的智能控制。

e)串行同步数据采集和校准，实现500kSps，12bits的数据采样，并且每通道可独立配置温度补偿曲线，并通过内置表查询可实现通道校准。

1.3.2.2、硬件工作流程，如图4所示：

a)通过传感器类型确定，前端配置桥电路、上拉下来电阻、激励源类型等参数，以获取正确的信号输入输出；

b)激励源通过默认配置输出激励源信号此部分可分别实现程控电流源和电压源，然后通过继电器选择输出。电压源输出为0V～15V，输出电流最大值为500mA。电流源输出为0mA～50mA，最大输出电压28V

c)可增益放大器配合输出的激励源信号获取最优信号采集范围，此部分可以实现1/8-128级信号增益，带宽为6Mhz；

d)选择最优的滤波器参数，实现64级中心频率、128级品质因数的智能控制

e)完成指定采样率的多通道同步数据采集，采样率支持到500Ksps，数据位宽为12bits，输出采用SPI串行通信接口

f)通过内置表查询功能实现通道校准并且片内查找表支持多点温度校准。

1.3.2.3、寻优算法：

a)采集范围寻优：

如图5所示，从站模块通过可变增益放大器和程控激励源，共同展开参数寻优，找到使被采信号处于数采的最优范围，在程控激励源输出较大时，调整可变增益放大器获取最优配置。最优配置计算后存储在增益匹配表中，根据数采数据到表中寻取，之后再一次进行测试并且微调可变增益放大器和程控激励源。

b)程控滤波器参数寻优：

如图6所示，首先设定程控滤波器不滤波，之后通过数采采集数据并且计算信号频率范围，通过信号频率范围去查找滤波参数表，并且根据查找参数设定滤波器，之后重新采样并再次判断信号范围以确定参数设定正常。

1.3.2.4、模块硬件结构通用性的说明：

考虑到数据采集节点需要采集不同类型的模拟量参数，因此需要不同类型的采集电路，而在采集控制和传输上又具有相似性，故也将数据采集节点设计成2层结构。顶层为通用的控制模块，底层为专用的采集模块，便于后续扩展研发新型采集模块。数据采集节点的整体硬件框图如图7所示。

根据数据采集节点的层次结构，硬件设计又可以分为数据采集节点的控制单元设计和采集单元设计。

a)控制单元设计：

设计基于Artix-7FPGA的最小系统板卡作为数据采集节点使用的控制单元，主要包括：XILINX Artix-7FPGA、DDR、FLASH、RS485接口和供电电路，为数据采集节点提供核心控制器、缓存电路、通讯接口和供电电路，通过FCI连接器与下层的采集单元连接，采用以LM5066芯片为核心的热插拔电路设计，为整个数据采集节点提供热插拔功能。如图8所示。

b)采集单元设计：

采集单元的主要设计目标为采集不同类型的模拟量信号。根据所采集的模拟量类型，可将采集单元的设计为两类：专用传感器通道及通用传感器通道。各类采集单元核心接口芯片如表1所示。

表1 采集单元核心接口芯片

2、热插拔电源模块设计：

电源模块主要为系统中其余模块提供标准电源，在本设计中，测试系统通过电缆提供统一的标准电源28V，各模块需要分别实现模块上的电源管理，将28V直流电源转换为模块所需要的标准电源，并且同时电源管理电路还需要实现模块的供电顺序控制和热插拔处理。

本设计首先实现总线侧热插拔，然后在热插拔后端设计电源管理电路，实现上电顺序的控制和DC-DC的转换，完成基本的电源管理功能。

热插拔芯片包含驱动MOS设计和电流检测电阻，电流检测电阻的目的是将流过MOS管的信号传给控制线路，控制线路再根据电流设定和计时电路来控制MOS管的导通。除了做基本热插拔之外，热插拔芯片还可以控制电流上升速率、做断电器、电源管理以及状态报告等，能够提升系统的工作状态。

3、数据帧格式设计：

3.1、数据帧格式，如图9所示，包括帧头、数据区和帧尾。其中帧头包括同步时间戳、数据长度、目标地址和命令码，帧尾包括校验字和帧结束符。

(1)帧头：主要用于数据的帧的恢复，通过检测帧头开始接收数据或者将帧头改为起始位(开始时，将总线拉高持续一个周期，表示传输开始)。

(2)数据类型：主要用于表示所传输的数据的数据类型，主要包括广播类型、指令类型、触发类型、复位类型、寄存器配置类型和普通数据传输类型等，协议层通过不同的数据类型进行数据包的解析和处理，例如物理层接收完一帧数据并将数据传输至协议层，协议层根据数据的数据类型对数据进行相应的解析处理，当接收到寄存器配置型的数据时，根据数据帧内部的协议，对协议层的IP核寄存器进行相应的配置。

(3)目标ID和源ID：目标ID主要用于实现数据接收地址的识别和数据接收完后的应答(采用应答帧进行应答的情况下)。

(4)数据帧长度：数据帧长度主要用来实现数据接收的长度控制，在接收完数据帧长度字节后，通过数据帧长度作为数据区的计数值，之后再接收CRC校验位，实现完整数据帧的接收，同时规范中可以限定每次传输的最大数据量为256B，防止数据过大导致总线占用时间过长，如果数据过长的话可以采用多次申请总线的方式，实现数据的传输。

(5)数据区：主要用于存放数据，数据区还可以根据实际的测试情况自定义数据区的帧格式，数据区最大长度为256B。

(6)CRC校验：主要用于接收数据的检错，如果检测到错误则发起N次重传机制，如果N次重传均失败，则向主控模块发送“检测到总线错误”消息，并配合模块在线监测是否热插拔移除，将最终结果呈现在计算机界面中。

(7)超帧结构：如图10所示，为保证协议通讯效率，在采集模块正确配置并建立时间同步后，采集数据采用超帧结构进行通讯，其中GTS(Guarantee Time Slot)保证时隙为活动超帧的一部分，为特殊应用开辟例如时间同步。CAP(Contention Access Period)竞争接入区，任何设备想在此时通讯，必须采用CSMA-CA竞争方式，此区域给配置等命令预留。CFP(Contention Free Period)非竞争区，按照时隙安排进行通讯。

3.2、基于时间同步的超帧结构生成算法：

该算法根据接收测试单元中传感器种类、采样率以及时间同步需求等任务计划需求，实现超帧结构生成，确定超帧总时长、时隙最小间隔、时隙种类等参数，最后完成时隙分配。超帧结构的更新需要获取测试单元状态改变，并在分析已采集的数据(临时存储)和时间同步状态等信息重新建立新的超帧结构，并实现有超帧结构的在线更替。

由于本发明基于RS-485总线对机载测试系统各分布式数据采集节点所采集到的数据进行传输，总线协议栈需要根据不同采集节点采集不同类型数据的频率和每次采集的数据量，采用分时占用总线资源的方式，为其动态分配占用总线的时间，可有效提高总线传输速率，避免多节点公用总线时产生的总线资源占用冲突，提高总线资源利用效率。

3.2.1、算法详细说明：

主要方法为将RS-485总线资源按照各采集节点的实际需求进行分配，并实时动态调整。采用RS-485总线具有传输线缆少、传输速率较高的优点，机载数据采集系统对于时间同步精度的要求较高，并且各采集节点需要具备在线配置能力，故涉及到时间同步命令和采集节点控制命令的发送，以及采集节点所采集到的数据的回传。根据目前挂接在一根RS-485总线上的采集节点数量及其所需传输的数据量，采用循环发送的方式进行数据传输。如图11所示，将所有挂接的采集节点分别占用总线并传输一次数据的时间视为时隙总时间，每个采集节点传输自身数据所需要的时间视为分时隙。每次传输数据时，各个采集节点在固定的时间片段之内获得总线使用权，并向上层设备发送数据。时隙分配示意图如图12所示。

3.2.2、各模块功能描述：

a)时钟同步模块：本地时钟同步模块用于将各采集节点模块的本地时间与机载数据采集系统的主时钟设备时间进行同步，从而保证整个系统在同一的时标之下运行，为数据的分时隙传输提供基础。该模块具备通过RS-485总线以时间同步信息帧的方式与主时钟设备进行时间信息交互的功能，进而能够进行本地时间与系统主时钟设备时间的对比，得到时间校正量后传给本地时钟计时器模块。

b)本地时间计数模块：用于在系统运行时实时记录各采集模块本地时间，同时根据时间同步模块得到的时间矫正量结果，矫正本地时间，从而实现本地时钟在一定精度范围之内与系统主时钟同步。

c)时隙判断模块：时隙判断模块用于判断此采集节点是否正处于自己所占用的时隙之中。主要实现对于自身发送数据量的判断、当前总线占用时隙的判断。根据自身采集节点所采集的参数类型得到所采集数据的频率，进而结合总线的速度计算出一次数据发送所需占用的时间。根据总线所挂载的模块数量及类型情况，动态的判断自身采集模块应该占用哪一个时隙。

d)数据缓存FIFO：采用容量足够的数据缓存FIFO对于所采集到的数据进行暂时性缓存，当不处于自身占用总线的时隙时，采集到的数据被存到此模块中，当时隙判断模块判定为自身占用的时隙时，数据缓存FIFO中存储的数据提出并进行下一步数据组帧操作。

e)时间戳FIFO：当采集数据被存入数据缓存FIFO时，根据与系统主时钟设备同步后的本地时钟计数器结果同步为所采集到的数据进行时间戳记录，并将所记录到的时间戳存入时间戳FIFO中。

f)数据组帧模块：判断为自身采集模块所占用的时隙后，将数据及时间戳按照固定格式进行组帧，组帧具体内容如图13所示。采用2字节前导码7E4Ch代表一帧数据起始，采用各占1字节的目的ID和源ID表征数据发送目的地及数据来源，采用2字节数据长度位记录整帧数据字节长度，最多可记录65532个字节长度。采用4字节以32位精度记录时间戳，其余字节用于根据采集的实际情况记录采集数据。

g)数据发送模块：将组帧完成的数据进行串行发送，采用1作为每字节数据的发送开始，0作为每字节数据的发送结束标志。将数据帧按字节进行发送。

4、其余硬件设计：

4.1、数采

数采功能的设计需求如下为：单个采样通道采样率不小于200kSps，各通道的采样率可单独配置。本设计选择AD7942作为数采芯片，其主要技术指标如下：14位、电荷再分配、逐次逼近型ADC；采样率为250kSps；采用5V单电源(VDD)供电；多功能串行接口端口，同步采样，满足招标条件；范围从0V至VREF，基准电压(VREF)由外部提供。

4.2、核心控制

控制核心芯片拟采用Xilinx公司的XC7Z015芯片实现。作为核心控制芯片FPGA主要完成的逻辑功能包括：

(1)基于RS485接口的分布式网络协议：数据传输和时间同步，模块即插即用及模块功能配置。

(2)传感器通道控制模块：实现电压/电流源的控制，给出正确的激励电压/电流；控制实现32级可变增益并且完成温度补偿，为传感器信号提供多级低通滤波。

(3)数采控制模块：完成数采芯片的控制，包括波特率等。

(4)电源管理控制模块：完成热插拔模块和数字电源IC的监控。

(5)栈接总线协议:实现多路M-LVDS总线为基础的可配置栈接总线。

5、本发明在机载测试系统中的实施方式如图14所示，将集成控制主机连接到机载采集网络系统中并与其他网络化机载采集器分配于一个子网中，在集成控制主机的插槽中插入总线控制器，然后由总线控制器的数传接口引出一根线缆，作供电与通讯之用，经过电源适配器的隔离，形成稳定的信号，连接到各个总线采集接口上，总线接口模块可以在系统工作时直接挂在线缆的分支点上，上电后直接开始采集工作。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本专利。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：包括集成控制主机、总线控制器以及总线接口模块；

所述集成控制主机由一台高性能工作站构成，用于系统应用软件的调试、运行、实现及二次开发，通过交换机与所述总线控制器实现通讯；

所述总线控制器实现对所述总线接口模块采集信息的汇聚和基本数据处理，通过交换机完成数据的交换传输、时间同步；

所述总线接口模块加装不同类型传感器构成采集节点，实现各类参数的信号调理、数据采集，通过RS485总线完成数据传输、时间同步、设备配置。

2.根据权利要求1所述的一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：所述集成控制主机连接到机载采集网络系统中并与其他网络化机载采集器分配于一个子网中，在所述集成控制主机的插槽中插入所述总线控制器，然后由所述总线控制器的数传接口引出一根线缆，作供电与通讯之用，经过电源适配器的隔离，形成稳定的信号，连接到各个总线采集接口上，所述总线接口模块在系统工作时直接挂在线缆的分支点上，上电后开始采集工作。

3.根据权利要求1所述的一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：所述总线接口模块硬件由传感器通道、A/D数采、FPGA、RS485接口以及电源管理模块组成；所述传感器通道包括前置电路、程控恒流恒压源、可变增益放大电路，串行数据采集单元和控制单元；所述控制单元通过IIC通信总线和通用IO与所述前置电路、所述程控恒流恒压源、所述可变增益放大电路相连，通过SPI通信总线与所述串行数据采集单元相连，控制数据采集和传输；所述传感器通道每通道可通用接入包括应变片、热电阻、热电偶、振动和压力传感器在内的各种传感装置，完成不同物理参数的测量。

4.根据权利要求3所述的一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：所述传感器通道的工作流程包括如下步骤：

通过传感器类型确定，前端配置桥电路、上拉下来电阻、激励源类型等参数，以获取正确的信号输入输出；

激励源通过默认配置输出激励源信号分别实现程控电流源和电压源，然后通过继电器选择输出；电压源输出为0V～15V，输出电流最大值为500mA；电流源输出为0mA～50mA，最大输出电压28V；

可增益放大器配合输出的激励源信号获取最优信号采集范围，实现1/8-128级信号增益，带宽为6Mhz；

选择最优的滤波器参数，实现64级中心频率、128级品质因数的智能控制；

完成指定采样率的多通道同步数据采集，采样率支持到500Ksps，数据位宽为12bits，输出采用SPI串行通信接口；

通过内置表查询功能实现通道校准并且片内查找表支持多点温度校准。

5.根据权利要求4所述的一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：所述步骤可增益放大器配合输出的激励源信号获取最优信号采集范围中采集范围寻优的工作流程包括如下步骤：从站模块通过可变增益放大器和程控激励源，共同展开参数寻优，找到使被采信号处于数采的最优范围，在程控激励源输出较大时，调整可变增益放大器获取最优配置；最优配置计算后存储在增益匹配表中，根据数采数据到表中寻取，之后再一次进行测试并且微调可变增益放大器和程控激励源。

6.根据权利要求4所述的一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：所述步骤选择最优的滤波器参数中滤波器参数寻优的工作流程包括如下步骤：首先设定程控滤波器不滤波，之后通过数采采集数据并且计算信号频率范围，通过信号频率范围去查找滤波参数表，并且根据查找参数设定滤波器，之后重新采样并再次判断信号范围以确定参数设定正常。

7.根据权利要求1所述的一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：在所述采集节点正确配置并建立时间同步后，采集数据采用超帧结构进行通讯，所述超帧结构包括GTS、CAP、CFP；所述GTS为保证时隙为活动超帧的一部分，为特殊应用开辟例如时间同步；所述CAP为竞争接入区，任何设备想在此时通讯，必须采用CSMA-CA竞争方式，此区域给配置等命令预留；所述CFP为非竞争区，按照时隙安排进行通讯。

8.根据权利要求7所述的一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：所述超帧结构采用基于时间同步的分时隙传输算法生成：将所有挂接在RS-485总线上的采集节点分别占用总线并传输一次数据的时间视为时隙总时间，每个采集节点传输自身数据所需要的时间视为分时隙；每次传输数据时，各个采集节点在固定的时间片段之内获得总线使用权，并向上层设备发送数据。

9.根据权利要求8所述的一种串行分布式模拟量机载采集系统，其特征在于：实现所述基于时间同步的分时隙传输算法的系统包括如下功能模块：

时钟同步模块：用于将各采集节点模块的本地时间与机载数据采集系统的主时钟设备时间进行同步，保证整个系统在同一的时标之下运行，为数据的分时隙传输提供基础；备通过RS-485总线以时间同步信息帧的方式与主时钟设备进行时间信息交互的功能，能够进行本地时间与系统主时钟设备时间的对比，得到时间校正量后传给本地时钟计时器模块；

本地时间计数模块：用于在系统运行时实时记录各采集模块本地时间，同时根据时间同步模块得到的时间矫正量结果，矫正本地时间，实现本地时钟在设定的精度范围之内与系统主时钟同步；

时隙判断模块：用于判断采集节点是否正处于自己所占用的时隙之中；实现对于自身发送数据量的判断、当前总线占用时隙的判断；根据自身采集节点所采集的参数类型得到所采集数据的频率，结合总线的速度计算出一次数据发送所需占用的时间；根据总线所挂载的模块数量及类型情况，动态的判断自身采集模块应该占用哪一个时隙；

数据缓存FIFO：用于对所采集到的数据进行暂时性缓存，当不处于自身占用总线的时隙时，采集到的数据被存到数据缓存FIFO中，当时隙判断模块判定为自身占用的时隙时，数据缓存FIFO中存储的数据提出并进行下一步数据组帧操作；

时间戳FIFO：当采集数据被存入数据缓存FIFO时，根据与系统主时钟设备同步后的本地时钟计数器结果同步为所采集到的数据进行时间戳记录，并将所记录到的时间戳存入时间戳FIFO中；

数据组帧模块：判断为自身采集模块所占用的时隙后，将数据及时间戳按照固定格式进行组帧，采用2字节前导码7E4Ch代表一帧数据起始，采用各占1字节的目的ID和源ID表征数据发送目的地及数据来源，采用2字节数据长度位记录整帧数据字节长度，最多可记录65532个字节长度；采用4字节以32位精度记录时间戳，其余字节用于根据采集的实际情况记录采集数据；

数据发送模块：将组帧完成的数据进行串行发送，采用1作为每字节数据的发送开始，0作为每字节数据的发送结束标志；将数据帧按字节进行发送。