CN110579642A - 基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统 - Google Patents

Abstract

基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统，属于飞机电源测试领域，本发明为解决现有有效值测试电路无法完成采集通道多、采样频率高、同步性高的机载交流电测试需求的问题。本发明PS模块包括DMA通道、DMA控制器、DDR内存器和ARM处理器；DMA通道将接收的数据传输至DDR内存器，一个数据周期传输完成后，DMA控制器向ARM处理器发送中断信号，DMA控制器控制DMA通道停止向DDR内存器传输数据，ARM处理器从DDR内存器中提取数据，运算获得机载交流电压有效值，运算结果导出至上位机，然后DMA通道恢复输送数据；通过连续采样的瞬时电压值计算机载交流电压有效值。本发明用于对交流电进行测试。

Description

基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统

技术领域

本发明涉及一种机载交流电多路并行采集处理系统，属于飞机电源测试领域。

背景技术

现代飞机使用电气结构来取代传统的机械、液压传动结构，能有效提高飞机的可靠性、易操作性和高效性，同时也能大大降低飞机的系统体积和机身重量。因此，发展“多电”或者“全电”飞机，成为了飞机发展的一大趋势。鉴于飞机上电气系统的比重越来越大，电气系统的可靠性十分重要，所以对电源系统性能的测试具有重大的现实意义。在机载交流电的各项测试参数中，稳态交流电压是尤为重要的一项。

机载交流电测试的主要特点有采集通道多、采样频率要求高、同步性要求高以及设备小型化需求。因为电压采集过程存在路数多和频率高等特点，要测试出精确的交流电参数，系统要承担庞大的计算量。而且，多路数并行采集，同样也会占用系统大量的I/O资源。

传统的有效值测试电路多采用半波整流技术，其缺点是二极管温漂大，电容滤波会滤掉部分谐波分量，增大误差，并且其无法满足记载交流电测试需求。

发明内容

本发明目的是为了解决现有有效值测试电路无法完成采集通道多、采样频率高、同步性高的机载交流电测试需求的问题，提供了一种基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统。

本发明所述基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统，采集多路交流电信号的瞬时电压值，经过信号调理模块后输送至多通道数据采集模块，多通道数据采集模块的AD芯片将数据进行模数转换后输出至Zynq模块；

Zynq模块包括PL模块、PS模块和AXI总线；

PL模块对多通道数据采集模块进行模数转换控制，并接收模数转换结果，接收的数据通过FIFO存储器进行缓存，然后通过AXI总线传输至PS模块；

PS模块包括DMA通道、DMA控制器、DDR内存器和ARM处理器；

DMA通道将通过AXI总线接收的数据传输至DDR内存器，一个数据周期传输完成后，DMA控制器向ARM处理器发送中断信号，DMA控制器控制DMA通道停止向DDR内存器传输数据，ARM处理器从DDR内存器中提取数据，并运算获得机载交流电压有效值，运算结果通过RS422接口导出至上位机，然后DMA控制器控制DMA通道恢复输送数据；

通过连续采样的瞬时电压值计算机载交流电压有效值。

优选的，所述信号调理模块采用霍尔电压传感器，在电隔离条件下将电压信号转换成电流信号，再通过电阻将电流信号转换成电压信号。

优选的，多通道数据采集模块包括多片AD芯片和总线收发器；

AD芯片将信号调理后的数据进行模数转换，模数转换后的数据传输至Zynq模块的I/O端口，PL模块输出AD芯片的控制信号，通过总线收发器对AD芯片的控制信号进行驱动。

优选的，ARM处理器对机载交流电压有效值进行运算的具体方法为：

机载交流电压有效值U为：

T_w表示不超过1秒的时间间隔，n表示采样数，j表示采样序号，j＝1,2,3…,n，u_j表示交流电信号的瞬时电压值，Δt表示采样周期。

优选的，PL模块基于FPGA逻辑，采用直接配置寄存器的方式完成对多通道数据采集模块的模数转换控制，对模数转换结果进行接收、存储和传输。

优选的，PS模块基于ARM处理器，对一个数据周期的数据进行采集、运算，并将运算结果导出至RS422接口。

优选的，ARM处理器对一个数据周期的数据进行采集、运算和导出的具体过程为：

S1、对变量进行初始化；

S2、读取一个数据周期的采集模数转换后数据的次数；

S3、将采样次数的数值赋值给AXI总线的字长寄存器变量；

S4、复位FIFO存储器；

S5、判断FIFO存储器内数据量是否为0，否则返回执行S4，是则执行S6；

S6、对触发寄存器进行写操作，触发数据采集；

S7、判断一个数据周期的数据是否采集完毕，否则重复执行S7，是则执行S8；

S8、调用DMA控制器控制应用程序编辑接口，初始化并开启DMA通道，等待一个数据周期的数据传输完成；

S9、读取DDR内存器中的数据，运算机载交流电压有效值，将运算结果送入发送寄存器变量中；

S10、判断上一数据周期的运算结果是否发送结束，否则重复执行S10，是则执行S11；

S11、对发送寄存器进行写操作，触发RS422接口进行数据传输。

本发明的优点：

1、本发明通过高速采样，由连续采样的瞬时电压值计算出交流电压有效值，不需要模拟电路滤波，能有效克服传统模拟测试电路二极管温漂大等缺点。

2、采用Zynq平台对PS和PL进行合理的功能划分，PS完成顺序执行的控制流程，PL完成高速并行的数据流处理，提高了系统的整体效率。

3、使用并行同步采集、逻辑处理、高速DMA通道进行数据传输，能够对多路交流电压进行同步高速的采集，并且所有交流电压采集通道都具备独立的模拟地，能够有效避免多路电压的互相干扰，提高采集精度。

4、在系统内同时完成多路交流电信号的采集和处理，减轻了上位机的负担。

附图说明

图1是本发明所述基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统的原理图；

图2是本发明所述信号调理模块的原理图；

图3是本发明所述多通道数据采集模块的原理图；

图4是Zynq的功能逻辑构架图；

图5是ARM处理器对一个数据周期的数据进行采集、运算和导出的流程图；

图6是Zynq模块的工作流程原理图。

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作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统，采集多路交流电信号的瞬时电压值，经过信号调理模块后输送至多通道数据采集模块，多通道数据采集模块的AD芯片将数据进行模数转换后输出至Zynq模块；

Zynq模块包括PL模块、PS模块和AXI总线；

PL模块对多通道数据采集模块进行模数转换控制，并接收模数转换结果，接收的数据通过FIFO存储器进行缓存，然后通过AXI总线传输至PS模块；

PS模块包括DMA通道、DMA控制器、DDR内存器和ARM处理器；

DMA通道将通过AXI总线接收的数据传输至DDR内存器，一个数据周期传输完成后，DMA控制器向ARM处理器发送中断信号，DMA控制器控制DMA通道停止向DDR内存器传输数据，ARM处理器从DDR内存器中提取数据，并运算获得机载交流电压有效值，运算结果通过RS422接口导出至上位机，然后DMA控制器控制DMA通道恢复输送数据；

通过连续采样的瞬时电压值计算机载交流电压有效值。

本实施方式中，通过高速采样，由连续采样的瞬时电压值计算出交流电压有效值，能有效克服传统模拟测试电路的缺点。

本实施方式中，经过系统采集与处理后的数据结果通过RS422接口导出。RS422接口是属于通用异步串行接口(UART)协议中的一种，支持点对多的全双工通信，是一种平衡传输标准。RS422数据信号采用差动方式，按照标准的波特率完成双向的通讯。其工作原理是将总线数据字符通过起始位标志开始传输，收到停止位标志停止，总线数据字符之间不需要固定时间间隔要求。RS422接口的最大传输距离为4000英尺(约1219米)，最大传输速率为10Mb/s。其传输速率与双绞线的长度成反比。对比RS232，它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。ZYNQ核心板处理完之后的数据再传回数据采集子板。转换结果数据先通过高速光耦进行光电隔离，再通过差动线路驱动器进行RS422电平转换然后传出至上位机。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述多路交流电信号为360Hz～800Hz的三相115V交流电。

具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述信号调理模块采用霍尔电压传感器，在电隔离条件下将电压信号转换成电流信号，再通过电阻将电流信号转换成电压信号。

信号调理模块将115V交流电转换为±10V或±5V交流电。

本实施方式中，霍尔电压传感器可以测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电压。

本实施方式中，采用霍尔电压传感器将115V交流电转换为±10V或±5V交流电，便于后级电路进行模数转换。

具体实施方式四：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，多通道数据采集模块包括多片AD芯片和总线收发器；

AD芯片将信号调理后的数据进行模数转换，模数转换后的数据传输至Zynq模块的I/O端口，PL模块输出AD芯片的控制信号，通过总线收发器对AD芯片的控制信号进行驱动。

本实施方式中，多通道数据采集模块由多片AD芯片组成，AD芯片由PL模块的I/O进行驱动，为了加强I/O的驱动能力，采用总线收发器对AD芯片的触发信号进行驱动，AD芯片的模数转换结果直接连接到Zynq模块的I/O上。每一路模拟输入通道都具有独立的模拟地，能够避免不同通道之间的交流电信号互相干扰。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一作进一步说明，ARM处理器对机载交流电压有效值进行运算的具体方法为：

机载交流电压有效值U为：

T_w表示不超过1秒的时间间隔，n表示采样数，j表示采样序号，j＝1,2,3…,n，u_j表示交流电信号的瞬时电压值，Δt表示采样周期。

本实施方式中，机载三相稳态交流电压的测量需满足下面三个条件：

每一相的采样频率不低于72kHz；三相电压需要在同一时间采样；采样时间不能超过1秒。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式一作进一步说明，PL模块基于FPGA逻辑，采用直接配置寄存器的方式完成对多通道数据采集模块的模数转换控制，对模数转换结果进行接收、存储和传输。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式七作进一步说明，PS模块基于ARM处理器，对一个数据周期的数据进行采集、运算，并将运算结果导出至RS422接口。

具体实施方式八：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，ARM处理器对一个数据周期的数据进行采集、运算和导出的具体过程为：

S1、对变量进行初始化；

S2、读取一个数据周期的采集模数转换后数据的次数；

S3、将采样次数的数值赋值给AXI总线的字长寄存器变量；

S4、复位FIFO存储器；

S5、判断FIFO存储器内数据量是否为0，否则返回执行S4，是则执行S6；

S6、对触发寄存器进行写操作，触发数据采集；

S7、判断一个数据周期的数据是否采集完毕，否则重复执行S7，是则执行S8；

S8、调用DMA控制器控制应用程序编辑接口，初始化并开启DMA通道，等待一个数据周期的数据传输完成；

S9、读取DDR内存器中的数据，运算机载交流电压有效值，将运算结果送入发送寄存器变量中；

S10、判断上一数据周期的运算结果是否发送结束，否则重复执行S10，是则执行S11；

S11、对发送寄存器进行写操作，触发RS422接口进行数据传输。

本实施方式中，应用程序编辑接口(Application Programming Interface,API)是一组定义、程序及协议的集合，通过API接口实现计算机软件之间的相互通信。

本实施方式中，S1所述对变量进行初始化，变量的种类包括值域、方法局部变量和方法参数。

本发明的工作原理为：基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统由Zynq进行控制，如图4所示，是Zynq的功能逻辑构架图，Zynq内部划分为PS模块和PL模块两部分。PL为逻辑部分，PL基于FPGA逻辑，用来完成对模数转换器的触发控制、对采集到的多路交流电压数字量进行接收以及对转换数据进行传输和存储。PS为软件部分，PS端基于ARM处理器，负责对一轮采集的结果数据进行运算和处理，计算出交流电压的有效值，并将其导出至RS422逻辑接口。

ARM处理器中一次完整的数据采集、处理以及导出的程序流程图如图5所示。对于PL端的逻辑，采用直接寄存器配置的方式来读取状态和触发控制。在Zynq中，PS与PL的通信是通过自定义AXI总线寄存器的方式进行的。对于PS端，这是一段地址区域，代表一个外设，可通过C语言进行读写；对于PL端，这是一定数目的逻辑寄存器，可以通过Verilog语言控制逻辑输入和输出信号。逻辑寄存器及其所控制的逻辑均可通过修改FPGA逻辑代码进行修改。而上层功能则可通过修改ARM端的软件程序，修改对逻辑寄存器的读写流程来修改系统功能。

板卡工作时，软件PS和PL两部分协同工作的流程如图6所示。图6中各步骤为：

①ARM处理器向数据总控IP发出一个触发信号；

②数据总控IP工作，进行“采样+数据送入FIFO存储器存储器”，循环1000次；

③循环结束，数据总控IP向ARM处理器发出转换结束信号；

④ARM处理器启动DMA通道；

⑤DMA控制器将FIFO存储器中的数据传输至DDR内存器；

⑥DMA控制器向ARM处理器发送传输完毕信号；

⑦ARM处理器从DDR内存器中读取数据；

⑧ARM处理器进行有效值计算，并将结果通过RS422接口导出。

本发明中，采用Zynq平台，自定义逻辑外设及其寄存器变量，ARM处理器开发程序只需要对相关外设寄存器变量进行读写即可控制逻辑工作，并且相关外设功能可通过逻辑编程修改，提高了开发的便捷性和灵活性。并且相关外设逻辑IP核集成封装，具有良好的复用性和可移植性。

本发明中，使用隔离式RS422导出接口，提高了设备的安全性，降低对后级系统的干扰。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (9)

1.基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统，其特征在于，

采集多路交流电信号的瞬时电压值，经过信号调理模块后输送至多通道数据采集模块，多通道数据采集模块的AD芯片将数据进行模数转换后输出至Zynq模块；

Zynq模块包括PL模块、PS模块和AXI总线；

PL模块对多通道数据采集模块进行模数转换控制，并接收模数转换结果，接收的数据通过FIFO存储器进行缓存，然后通过AXI总线传输至PS模块；

PS模块包括DMA通道、DMA控制器、DDR内存器和ARM处理器；

DMA通道将通过AXI总线接收的数据传输至DDR内存器，一个数据周期传输完成后，DMA控制器向ARM处理器发送中断信号，DMA控制器控制DMA通道停止向DDR内存器传输数据，ARM处理器从DDR内存器中提取数据，并运算获得机载交流电压有效值，运算结果通过RS422接口导出至上位机，然后DMA控制器控制DMA通道恢复输送数据；

通过连续采样的瞬时电压值计算机载交流电压有效值。

2.根据权利要求1所述的基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统，其特征在于，所述多路交流电信号为360Hz～800Hz的三相115V交流电。

3.根据权利要求2所述的基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统，其特征在于，所述信号调理模块采用霍尔电压传感器，在电隔离条件下将电压信号转换成电流信号，再通过电阻将电流信号转换成电压信号。

4.根据权利要求3所述的基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统，其特征在于，信号调理模块将115V交流电转换为±10V或±5V交流电。

5.根据权利要求1所述的基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统，其特征在于，多通道数据采集模块包括多片AD芯片和总线收发器；

AD芯片将信号调理后的数据进行模数转换，模数转换后的数据传输至Zynq模块的I/O端口，PL模块输出AD芯片的控制信号，通过总线收发器对AD芯片的控制信号进行驱动。

6.根据权利要求1所述的基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统，其特征在于，ARM处理器对机载交流电压有效值进行运算的具体方法为：

机载交流电压有效值U为：

T_w表示不超过1秒的时间间隔，n表示采样数，j表示采样序号，j＝1,2,3…,n，u_j表示交流电信号的瞬时电压值，Δt表示采样周期。

7.根据权利要求1所述的基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统，其特征在于，PL模块基于FPGA逻辑，采用直接配置寄存器的方式完成对多通道数据采集模块的模数转换控制，对模数转换结果进行接收、存储和传输。

8.根据权利要求7所述的基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统，其特征在于，PS模块基于ARM处理器，对一个数据周期的数据进行采集、运算，并将运算结果导出至RS422接口。

9.根据权利要求8所述的基于Zynq的机载交流电多路并行采集处理系统，其特征在于，ARM处理器对一个数据周期的数据进行采集、运算和导出的具体过程为：

S1、对变量进行初始化；

S2、读取一个数据周期的采集模数转换后数据的次数；

S3、将采样次数的数值赋值给AXI总线的字长寄存器变量；

S4、复位FIFO存储器；

S5、判断FIFO存储器内数据量是否为0，否则返回执行S4，是则执行S6；

S6、对触发寄存器进行写操作，触发数据采集；

S7、判断一个数据周期的数据是否采集完毕，否则重复执行S7，是则执行S8；

S8、调用DMA控制器控制应用程序编辑接口，初始化并开启DMA通道，等待一个数据周期的数据传输完成；

S9、读取DDR内存器中的数据，运算机载交流电压有效值，将运算结果送入发送寄存器变量中；

S10、判断上一数据周期的运算结果是否发送结束，否则重复执行S10，是则执行S11；

S11、对发送寄存器进行写操作，触发RS422接口进行数据传输。