CN108227540B - 一种可配置多通道高精度模拟量采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种可配置多通道高精度模拟量采集系统及方法，采用DSP+FPGA控制器架构，利用FPGA高数据吞吐量和处理能力，实现采集系统的控制及逻辑时序；利用DSP实现复杂算法处理；通过采用IEEE‑1394B高速串行总线，实现了数据的高速传输；系统可工作于单端电压采集模式、差分电压采集模式和BIT工作模式，实现了系统的灵活配置；实现了多路模拟量输入采集共用一路比例放大电路和AD转换器,简化了硬件设计；通过数据处理，减小了系统误差、剔除了粗大误差，提高了系统采集精度，具备完备的BIT策略和接口防护功能，同时具备采集精度高、可靠性高、体积小的特性，对提升整个飞机模拟量采集系统采集速度及控制性能具有重要意义。

Description

一种可配置多通道高精度模拟量采集系统及方法

技术领域

本发明属于机载模拟量采集技术领域，尤其涉及一种可配置多通道高精度模拟量采集系统及方法。

背景技术

飞机机电系统中包含大量温度、流量、压力、液位、速度等模拟量输入传感器，对其测量精度、采集速度和数据稳定性的要求越来越高。另一方面，为了更真实、准确地反映被测对象的特性，许多测试项目转向动态参数测试。模拟量采集系统作为飞机机电管理数据采集系统中重要的组成部分，其数据吞吐能力、采集精度、处理速度和系统可靠性直接影响飞机机电管理系统控制指标。所以设计一个高精度、高可靠、高数据吞吐能力的模拟量采集系统，成为提升飞机机电综合水平和控制性能的重要途径。

传统飞机模拟量采集系统大多采用单片机或数字信号处理器实现，受时钟频率限制，难以适应高速数据采集系统的实时性要求；数据传输一般采用采用低速串行总线实现，其数据传输速率较低、灵活性较差，无法满足数据采集动态测试要求；采集误差一般难于修正，导致采集精度受限，严重影响了飞机控制性能。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，实现多通道模拟量采集系统的高精度采集。

为此，本发明提供一种可配置多通道高精度模拟量采集系统，所述系统包括：

DSP模块，分别与机电管理系统和FPGA模块连接，实现工作模式配置和BIT结果判断，通过内部总线访问FPGA数据缓冲区数据，获取模拟量采集结果，并经算法处理后，通过高速串行通讯总线上传至所述机电管理系统；

FPGA模块，分别与所述DSP模块、第一开关矩阵、第二开关矩阵、第一二选一开关、第二二选一开关、A/D转换器连接，接收所述DSP模块配置信息，完成模拟量采集通道逻辑配置，读取A/D转换器数据，并将所述数据放至数据缓冲区；

信号调理电路，与模拟量输入连接，实现模拟量输入信号调理及接口保护功能；

第一开关矩阵，与所述信号调理电路连接，实现采集通道切换；

第二开关矩阵，与所述信号调理电路连接，实现采集通道切换；

第一二选一开关输入的第1通道与所述第一开关矩阵连接，第一二选一开关输入的第2通道与模拟量地连接，实现第一开关矩阵或模拟量地的选通；

第二二选一开关输入的第1通道与所述第二开关矩阵连接，第二二选一开关输入的第2通道与模拟量地连接，用于选通第二开关矩阵或模拟量地；

比例放大电路输入的“+”端与所述第一二选一开关连接，比例放大电路输入的“-”端与所述第二二选一开关连接，所述比例放大电路输出端与A/D转换器连接，实现模拟量输入信号比例放大；

A/D转换器，与所述比例放大电路连接，实现模拟量输入信号采集。

所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集系统，所述高速串行通讯总线采用IEEE-1394B。

所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集系统，所述内部总线采用并行总线方式。

所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集系统，所述信号调理电路采用1MΩ电阻上拉至+12V基准电源，用于判断模拟量输入断线故障。

所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集系统，所述比例放大电路采用仪表运放。

本发明还提供一种可配置多通道高精度模拟量采集方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，DSP模块将系统设置于BIT工作模式，判断系统硬件故障，并记录模拟量输入BIT结果，若存在故障，不对该通道进行采集；

步骤2，将第一开关矩阵和第二开关矩阵使能禁止，第一二选一开关和第二二选一开关配置为模拟量地状态，得到系统输入失调电压误差，并记录该差值作为输入失调电压误差修正值；

步骤3，DSP模块接收机电管理系统模拟量采集控制指令，并发送至FPGA模块；

步骤4，FPGA模块接收DSP模块发送的控制指令，完成系统工作模式配置和逻辑时序配置，模拟量输入被循环自动采集，并将采集结果放置数据缓冲区；

步骤5，DSP模块周期读取所述FPGA模块的数据缓冲区数据，对采集结果进行数据处理；

步骤6，DSP模块周期将步骤5所述的经过处理的数据上传至机电系统。

所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集方法，所述步骤4中所述的工作模式包括：

单端电压采集模式，系统将模拟量输入配置为两组，当对第一组模拟量输入进行采集时，第一开关矩阵使能有效，第二开关矩阵使能禁止，第一二选一开关选通第一开关矩阵，第二二选一开关选通模拟量地；当对第二组模拟量进行采集时，第一开关矩阵使能禁止，第二开关矩阵使能有效，第一二选一开关选通模拟量地，第二二选一开关选通第二开关矩阵；

差分电压采集模式，差分模拟量电压输入包括正端和负端，第一开关矩阵通过信号调理电路连接差分模拟量电压输入一端，第二开关矩阵通过信号调理电路连接差分模拟量电压输入另一端，第一二选一开关选通第一开关矩阵，第二二选一开关选通第二开关矩阵；

BIT工作模式，第一开关矩阵的输入选通基准源，第一开关矩阵使能有效，第二开关矩阵使能禁止，第一二选一开关选通第一开关矩阵，第二二选一开关选通模拟量地，DSP模块读取采集结果，并记录基准源电压，对采集结果与基准源理论值进行做差，并记录该差值作为直流偏置电压误差修正值，若二者相差大于临界值，则认为该通道硬件故障，否则自检通过；第二开关矩阵的输入选通基准源，第一开关矩阵使能禁止，第二开关矩阵使能有效，第一二选一开关选通模拟量地，第二二选一开关选通第二开关矩阵，DSP模块读取采集结果，对采集结果与基准源理论值进行做差，并记录该差值作为直流偏置电压误差修正值，若二者相差大于临界值，则认为该通道硬件故障，否则自检通过。

所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集方法，所述单端电压采集模式，当系统对第二组模拟量输入采集时，其采集值与真实值相反，在软件中需要取反。

所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集方法，所述数据处理主要包括系统误差修正和粗大误差剔除。

所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集方法，所述系统误差修正，包括如下步骤：

步骤A，输入失调电压误差修正，采集值减去输入失调电压误差修正值；

步骤B，直流偏置电压误差修正，步骤A中结果减去直流偏置电压误差修正值。

所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集方法，所述粗大误差剔除，采用Dixon准则进行剔除。

本发明所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集系统及方法的有益效果是：系统采用DSP+FPGA控制器架构，利用FPGA高数据吞吐量和处理能力，实现采集系统的控制及逻辑时序；利用DSP实现复杂算法处理；通过采用IEEE-1394B高速串行总线，实现了数据的高速传输；通过模式配置，系统可工作于单端电压采集模式、差分电压采集模式和BIT工作模式，实现了系统的灵活配置；通过开关矩阵，实现了多路模拟量输入采集共用一路比例放大电路和AD转换器,简化了硬件设计；通过数据处理，减小了系统误差、剔除了粗大误差，提高了系统采集精度。系统具备完备的BIT策略和接口防护功能，同时具备采集精度高、可靠性高、体积小的特性，对提升整个飞机模拟量采集系统采集速度及控制性能具有重要意义。

附图说明

本发明的上述优点以及实施方式的描述结合下面附图将变得清晰且容易理解，其中：

图1为本发明的一种可配置多通道高精度模拟量采集系统及方法系统功能框图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

图1是本发明提供的一种可配置多通道高精度模拟量采集系统及方法系统功能框图。参照图1所示，该系统包括DSP模块、FPGA模块、信号调理电路、第一开关矩阵、第二开关矩阵、第一二选一开关、第二二选一开关、比例放大电路、A/D转换器。所述DSP模块分别与机电管理和和FPGA模块连接；所述FPGA模块分别与第一开关矩阵、第二开关矩阵、第一二选一开关、第二二选一开关和A/D转换器连接；所述信号调理电路分别与第一开关矩阵和第二开关矩阵相连；所述比例放大电路分别与第一二选一开关、第二二选一开关和A/D转换器连接；所述A/D转换器与FPGA模块连接。

所述CPU模块，用于实现模拟量采集通道顺序配置、工作模式配置和BIT结果判断，通过内部并行总线访问FPGA数据缓冲区获取模拟量采集结果，并经算法处理后，通过IEEE-1394B串行通讯总线上传至所述飞机机电管理系统；FPGA模块完成第一开关矩阵、第二开关矩阵、第一二选一开关、第二二选一开关和A/D转换器的配置。

上电后，DSP模块工作顺序如下：

步骤1，DSP模块将系统设置于BIT工作模式，判断系统硬件故障，并记录模拟量输入BIT结果，若存在故障，不对该通道进行采集；

步骤2，将第一开关矩阵和第二开关矩阵使能禁止，第一二选一开关和第二二选一开关配置为模拟量地状态，得到系统输入失调电压误差，并记录该差值作为输入失调电压误差修正值；

步骤3，DSP模块接收机电管理系统模拟量采集控制指令，并发送至FPGA模块；

步骤4，FPGA模块接收DSP模块发送的控制指令，完成系统工作模式配置和逻辑时序配置，模拟量输入被循环自动采集，并将采集结果放置数据缓冲区；

步骤5，DSP模块周期读取所述FPGA模块的数据缓冲区数据，对采集结果进行数据处理；

步骤6，DSP模块周期将步骤5所述的经过处理的数据上传至机电系统。

系统工作模式包括：单端电压采集模式、差分电压采集模式和BIT工作模式。

(1)单端电压采集模式，系统将模拟量输入配置为两组，当对第一组模拟量输入进行采集时，第一开关矩阵使能有效，第二开关矩阵使能禁止，第一二选一开关选通第一开关矩阵，第二二选一开关选通模拟量地；当对第二组模拟量进行采集时，第一开关矩阵使能禁止，第二开关矩阵使能有效，第一二选一开关选通模拟量地，第二二选一开关选通第二开关矩阵；

(2)差分电压采集模式，差分模拟量电压输入包括正端和负端，第一开关矩阵通过信号调理电路连接差分模拟量电压输入一端，第二开关矩阵通过信号调理电路连接差分模拟量电压输入另一端，第一二选一开关选通第一开关矩阵，第二二选一开关选通第二开关矩阵；

(3)BIT工作模式，第一开关矩阵的输入选通基准源，第一开关矩阵使能有效，第二开关矩阵使能禁止，第一二选一开关选通第一开关矩阵，第二二选一开关选通模拟量地，DSP模块读取采集结果，并记录基准源电压，对采集结果与基准源理论值进行做差，并记录该差值作为直流偏置电压误差修正值，若二者相差大于临界值，则认为该通道硬件故障，否则自检通过；第二开关矩阵的输入选通基准源，第一开关矩阵使能禁止，第二开关矩阵使能有效，第一二选一开关选通模拟量地，第二二选一开关选通第二开关矩阵，DSP模块读取采集结果，对采集结果与基准源理论值进行做差，并记录该差值作为直流偏置电压误差修正值，若二者相差大于临界值，则认为该通道硬件故障，否则自检通过。

DSP读取FPGA数据缓冲区采集结果，并对采样结果进行数据处理，数据处理主要包括系统误差修正和粗大误差剔除。系统误差修正步骤如下：

步骤A，输入失调电压误差修正，采集值减去输入失调电压误差修正值；

步骤B，直流偏置电压误差修正，步骤A中结果减去直流偏置电压误差修正值。

粗大误差采用Dixon准则进行剔除。

Claims (10)

1.一种可配置多通道高精度模拟量采集系统，其特征在于，所述系统包括：

DSP模块，分别与机电管理系统和FPGA模块连接，实现工作模式配置和BIT结果判断，通过内部总线访问FPGA数据缓冲区数据，获取模拟量采集结果，并经算法处理后，通过高速串行通讯总线上传至所述机电管理系统；

FPGA模块，分别与所述DSP模块、第一开关矩阵、第二开关矩阵、第一二选一开关、第二二选一开关、A/D转换器连接，接收所述DSP模块配置信息，完成模拟量采集通道逻辑配置，读取A/D转换器数据，并将所述数据放至数据缓冲区；

信号调理电路，与模拟量输入连接，实现模拟量输入信号调理及接口保护功能；

第一开关矩阵，与所述信号调理电路连接，实现采集通道切换；

第二开关矩阵，与所述信号调理电路连接，实现采集通道切换；

第一二选一开关输入的第1通道与所述第一开关矩阵连接，第一二选一开关输入的第2通道与模拟量地连接，实现第一开关矩阵或模拟量地的选通；

第二二选一开关输入的第1通道与所述第二开关矩阵连接，第二二选一开关输入的第2通道与模拟量地连接，用于选通第二开关矩阵或模拟量地；

比例放大电路输入的+端与所述第一二选一开关连接，比例放大电路输入的-端与所述第二二选一开关连接，所述比例放大电路输出端与A/D转换器连接，实现模拟量输入信号比例放大；

A/D转换器，与所述比例放大电路连接，实现模拟量输入信号采集。

2.根据权利要求1所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集系统，其特征在于所述高速串行通讯总线采用IEEE-1394B。

3.根据权利要求1所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集系统，其特征在于所述FPGA模块和DSP模块采用内部总线连接，所述内部总线采用并行总线方式。

4.根据权利要求1所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集系统，其特征在于所述信号调理电路采用1MΩ电阻上拉至+12V基准电源，用于判断模拟量输入断线故障。

5.根据权利要求1所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集系统，其特征在于所述比例放大电路采用仪表运放。

6.一种可配置多通道高精度模拟量采集方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集系统，所述方法包括如下步骤：

步骤1，DSP模块将系统设置于BIT工作模式，判断系统硬件故障，并记录模拟量输入BIT结果，若存在故障，不对该通道进行采集；

步骤2，将第一开关矩阵和第二开关矩阵使能禁止，第一二选一开关和第二二选一开关配置为模拟量地状态，得到系统输入失调电压误差，并记录输入失调电压误差作为输入失调电压误差修正值；

步骤3，DSP模块接收机电管理系统模拟量采集控制指令，并发送至FPGA模块；

步骤4，FPGA模块接收DSP模块发送的控制指令，完成系统工作模式配置和逻辑时序配置，模拟量输入被循环自动采集，并将采集结果放置数据缓冲区；

步骤5，DSP模块周期读取所述FPGA模块的数据缓冲区数据，对采集结果进行数据处理；

步骤6，DSP模块周期将步骤5中经过数据处理的采集结果上传至机电系统；

上述的工作模式包括：

单端电压采集模式，系统将模拟量输入配置为两组，当对第一组模拟量输入进行采集时，第一开关矩阵使能有效，第二开关矩阵使能禁止，第一二选一开关选通第一开关矩阵，第二二选一开关选通模拟量地；当对第二组模拟量进行采集时，第一开关矩阵使能禁止，第二开关矩阵使能有效，第一二选一开关选通模拟量地，第二二选一开关选通第二开关矩阵；

差分电压采集模式，差分模拟量电压输入包括正端和负端，第一开关矩阵通过信号调理电路连接差分模拟量电压输入一端，第二开关矩阵通过信号调理电路连接差分模拟量电压输入另一端，第一二选一开关选通第一开关矩阵，第二二选一开关选通第二开关矩阵；

BIT工作模式，第一开关矩阵的输入选通基准源，第一开关矩阵使能有效，第二开关矩阵使能禁止，第一二选一开关选通第一开关矩阵，第二二选一开关选通模拟量地，DSP模块读取采集结果，并记录基准源电压，对采集结果与基准源理论值进行做差得到采集结果与基准源理论值的差值，并记录采集结果与基准源理论值的差值作为直流偏置电压误差修正值，若采集结果与基准源理论值相差大于临界值，则认为该通道硬件故障，否则自检通过。

7.根据权利要求6所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集方法，其特征在于所述单端电压采集模式，当系统对第二组模拟量输入采集时，其采集值与真实值相反时，在软件中对第二组模拟量输入采集取反。

8.根据权利要求6所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集方法，其特征在于所述步骤5中所述数据处理包括系统误差修正和粗大误差剔除。

9.根据权利要求8所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集方法，其特征在于所述系统误差修正，包括如下步骤：

步骤A，输入失调电压误差修正，采集值减去输入失调电压误差修正值；

步骤B，直流偏置电压误差修正，步骤A中结果减去直流偏置电压误差修正值。

10.根据权利要求8所述的一种可配置多通道高精度模拟量采集方法，其特征在于所述粗大误差剔除，采用Dixon准则进行剔除。

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