CN113341839A - 一种分布式多通道的弹载高速采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式多通道的弹载高速采集系统，涉及高速采集器领域，该系统包括主控设备以及分别布设在导弹不同区域的若干个内测盒，主控设备连接各个内测盒内的供电控制板、数据采集器和自检装置；内测盒根据主控设备的控制运行于工作模式下利用数据采集器通过传感器组采集数据，运行于自检模式利用自检装置对数据采集器进行自检；该系统采用集中式控制和分布式布置，器件使用模块化设计，各模块之间使用高抗振的接插件连接，且系统具备自检功能，能通过独立的自检系统查询电路损坏等问题、可以实现故障溯源，保证系统的可靠性和操作的便捷性。

Description

一种分布式多通道的弹载高速采集系统

技术领域

本发明涉及高速采集器领域，尤其是一种分布式多通道的弹载高速采集系统。

背景技术

高速采集系统广泛应用于军事、航天、铁路、机械等诸多行业，其任务是采集各种类型传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并将其存储在FLASH中。采集完成后，可以通过传输线将相关数据下载到计算机中进行处理，得到需要的数据结果。高速采集系统的重要指标包括数据转换速率和记录容量，其主核(单片机、FPGA或DSP)不再承担A/D转换的控制、数据的读出与存储工作，这些操作由专门的高速数字电路完成，实现A/D转换的数据和存储器之间的直接传输。受主核IO口数量和总线信息传输的流量限制，单个主核所能支撑的采集通道数量和采样频率也是有一定的限制的。在采样频率不变的情况下，增加采集通道数需要选取更高性能的芯片或使用更多数量的主核。

弹载高速采集系统通常用于高速运动的装置内，使用电池组进行供电，在接收到特定的触发信号后进行信号采集，经过特定时长或接收到停止信号后采集停止，但是弹载传感器的数量较多、所需采集通道数较大，且弹载传感器分布于整个导弹的各个部位、位置分布过于分散，检测采集器性能工作量大，如何设计一个便捷可靠的弹载高速采集系统成为研究重点。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种分布式多通道的弹载高速采集系统，本发明的技术方案如下：

一种分布式多通道的弹载高速采集系统，该弹载高速采集系统包括：主控设备以及分别布设在导弹不同区域的若干个内测盒，每个内测盒内部包括供电电池及其通过供电控制板分别相连的传感器组、数据采集器和自检装置，传感器组包括布设在内测盒所在区域的若干个不同位置处的多个弹载传感器，传感器组中的各个弹载传感器分别连接至数据采集器的不同采集通道，自检装置连接数据采集器；主控设备连接各个内测盒内的供电控制板、数据采集器和自检装置；

当主控设备输出第一上电触发信号使内测盒运行于工作模式时，供电电池通过供电控制板对传感器组和数据采集器进行供电、对自检装置不供电，主控设备通过内测盒中的传感器组采集数据；

当主控设备输出第二上电触发信号使内测盒运行于自检模式时，供电电池通过供电控制板对数据采集器和自检装置进行供电、对传感器组不供电，自检装置按照预定自检策略对数据采集器进行自检后将自检结果传输给主控设备。

其进一步的技术方案为，在每个内测盒中：

自检装置包括自检控制器及其相连的DAC芯片、通讯芯片和存储芯片，DAC芯片通过开关阵列连接数据采集器的各个采集通道，通讯芯片连接数据采集器的通讯口；

自检控制器通过DAC芯片向数据采集器发送自检测试数据，自检控制器还连接并控制开关阵列按采集周期依次导通DAC与数据采集器的各个采集通道之间的一条通路，数据采集器通过对应的采集通道对自检测试数据进行数据采集；

自检控制器通过通讯芯片获取数据采集器依次通过各个采集通道完成数据采集后的自检实采数据，并根据自检实采数据生成数据采集器对应的自检结果。

其进一步的技术方案为，根据自检实采数据生成数据采集器对应的自检结果，包括：

按照公式

计算数据采集器的按照预定采集顺序导通的第m个采集通道的采集准确性，T表示采集周期，f表示数据采集器的采集频率，i为参数，g(i)表示数据采集器通过第i个采集通道采集到的数据，h(i)表示DAC与数据采集器的第i个采集通道导通时输出的数据；

当所有采集通道的采集准确性均小于对应的预定阈值时、确定数据采集器生成指示自检通过的自检结果，当存在至少一个采集通道的采集准确性均达到对应的预定阈值时、确定数据采集器生成指示自检出错的自检结果。

其进一步的技术方案为，指示自检出错的自检结果还用于指示采集准确性达到对应的预定阈值的采集通道的通道标识。

其进一步的技术方案为，自检装置中的开关阵列包括形成级联结构的高速电子开关。

其进一步的技术方案为，在一个内测盒中：

数据采集器包括128个采集通道，自检装置中的开关阵列包括一个第一级高速电子开关和8个第二级高速电子开关，各个高速电子开关均为16路，第一级高速电子开关的输入端连接DAC芯片的输出端、8个输出端分别连接8个第二级高速电子开关的输入端，每个第二级高速电子开关的各个输出端分别连接数据采集器的各个采集通道；每个高速电子开关占用自检控制器的5个GPIO引脚且4个GPIO引脚用于导通控制、1个GPIO引脚用于使能。

其进一步的技术方案为，每个内测盒中的供电控制板包括供电控制器、固态继电器组和黑匣子模块，固态继电器组的输入端连接内测盒中的供电电池、输出端连接内测盒中的传感器组、数据采集器和自检装置，黑匣子模块包括MCU及其分别相连的时钟芯片、ADC芯片和存储芯片，黑匣子模块内部的器件由独立电源供电；固态继电器组的输入端和输出端分别连接到黑匣子模块中的ADC芯片，内测盒中的数据采集器还输出信标信号至黑匣子模块中的ADC芯片，信标信号用于指示数据采集器是否正常运行。

其进一步的技术方案为，主控设备包括上位机和综控盒，上位机位于导弹外部，综控盒和所有内测盒均位于导弹内，上位机通过上电触发信号线连接综控盒和各个内测盒内的供电控制板，综控盒通过通讯线连接各个内测盒中内的数据采集器和自检装置。

其进一步的技术方案为，主控设备输出的第一上电触发信号包括第一上电信号和第一触发信号：

上位机通过上电触发信号线向内测盒内的供电控制板输出第一上电信号，供电控制板导通供电电池对传感器组和数据采集器的供电线路、断开供电电池对自检装置的供电线路；

上电完成后，上位机通过上电触发信号线向综控盒输出第一触发信号，综控盒通过通讯线控制内测盒中的数据采集器通过对应的传感器进行数据采集；

数据采集完成后，上位机通过综控盒控制内测盒中的数据采集器将采集到的数据发送至上位机。

其进一步的技术方案为，主控设备输出的第二上电触发信号包括第二上电信号和第二触发信号：

上位机通过上电触发信号线向内测盒内的供电控制板输出第二上电信号，供电控制板导通供电电池对自检装置和数据采集器的供电线路、断开供电电池对传感器组的供电线路；

上电完成后，上位机通过上电触发信号线向综控盒输出第二触发信号，综控盒通过通讯线控制内测盒中的自检装置按照预定自检策略对数据采集器进行自检，并在自检完成后将自检结果发送至上位机。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种分布式多通道的弹载高速采集系统，采用集中式控制和分布式布置，器件使用模块化设计，各模块之间使用高抗振的接插件连接，且系统具备自检功能，能通过独立的自检系统查询电路损坏等问题、可以实现故障溯源，保证系统的可靠性和操作的便捷性。

系统具备黑匣子功能，自动记录关键电路过程数据，对于单次发生的测量采集问题能够查询到原因；整个系统具备一定的抗振能力和具有多重水密保护，符合使用需要。

附图说明

图1是本申请的弹载高速采集系统的一种结构示意图。

图2是本申请的自检装置与数据采集器的一种连接示意图。

图3是本申请的供电控制板的一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种分布式多通道的弹载高速采集系统，请参考图1，该弹载高速采集系统包括：主控设备以及分别布设在导弹不同区域的若干个内测盒，每个内测盒内部包括供电电池及其通过供电控制板分别相连的传感器组、数据采集器和自检装置，传感器组包括布设在内测盒所在区域的若干个不同位置处的多个弹载传感器，传感器组中的各个弹载传感器分别连接至数据采集器的不同采集通道，自检装置连接数据采集器。主控设备连接各个内测盒内的供电控制板、数据采集器和自检装置。可选的，供电电池选用能量密度高、质量可靠的锂离子电芯阵列，电池组带有过放、过充、过温、过流、短路保护和电池均衡。由于采用了独立的电芯，其安全性能更高。

可选的，主控设备包括上位机和综控盒，上位机位于导弹外部，综控盒和所有内测盒均位于导弹内，上位机通过上电触发信号线连接综控盒和各个内测盒内的供电控制板，综控盒通过通讯线连接各个内测盒中内的数据采集器和自检装置。实际使用的通讯线比如可以采用422通讯线。上位机主要负责点火前的上电触发以及结束后的数据下载、在实验过程中不参与工作，而综控盒在全程试验中是工作的，除此之外，综控盒还可以引出回放口处的回放通讯线。

基于本申请这种的这种结构，每个内测盒可以在主控设备的控制下运行于工作模式或自检模式下。当内测盒运行于工作模式下时，内测盒中的数据采集器进行数据采集和/或数据下载。当内测盒运行于自检模式下时，内测盒利用内部的自检装置对数据采集器进行自检，从而提高整个系统的可靠性：

一、内测盒的工作模式。

当主控设备输出第一上电触发信号使内测盒运行于工作模式时，内测盒内部的供电电池通过供电控制板对传感器组和数据采集器进行供电、对自检装置不供电，模拟信号通道处于高阻态状态，此时仅传感器组向数据采集器传输模拟信号。主控设备通过内测盒中的传感器组正常采集数据，并可以将采集到的数据下载到主控设备中。

当主控设备采用上位机与综控盒的结构时，主控设备输出的第一上电触发信号包括第一上电信号和第一触发信号，则具体的：上位机通过上电触发信号线向内测盒内的供电控制板输出第一上电信号，内测盒内的供电控制板导通供电电池对传感器组和数据采集器的供电线路、断开供电电池对自检装置的供电线路。

上电完成后，上位机通过上电触发信号线向综控盒输出第一触发信号，综控盒通过通讯线控制内测盒中的数据采集器通过对应的传感器进行数据采集。数据采集器采集预定时长后停止，供电控制板在数据采集器停止采集后延时一段时长后可以对内测盒内部器件断电。

数据采集完成后若需要下载数据，则上位机通过综控盒控制内测盒中的数据采集器将采集到的数据发送至上位机，具体的，上位机对综控盒发出指令，综控盒依次通讯各个内测盒中的数据采集器将数据经由综控盒发送给上位机。实际在操作时，当内测盒中的数据采集器将采集到的数据下载到上位机以后，还需要手动删除数据采集器中的内容，为下一次试验采集保留存储空间。

二、内测盒的自检模式。

当主控设备输出第二上电触发信号使内测盒运行于自检模式时，供电电池通过供电控制板对数据采集器和自检装置进行供电、对传感器组不供电，自检装置按照预定自检策略对数据采集器进行自检后将自检结果传输给主控设备。

类似的，当主控设备采用上位机与综控盒的结构时，主控设备输出的第二上电触发信号包括第二上电信号和第二触发信号，则具体的，上位机通过上电触发信号线向内测盒内的供电控制板输出第二上电信号，供电控制板导通供电电池对自检装置和数据采集器的供电线路、断开供电电池对传感器组的供电线路，模拟信号通道处于高阻态状态，仅自检装置向数据采集器传输模拟信号。上电完成后，上位机通过上电触发信号线向综控盒输出第二触发信号，综控盒通过通讯线控制内测盒中的自检装置按照预定自检策略对数据采集器进行自检，并在自检完成后将自检结果发送至上位机。自检装置在将自检结果发送给上位机后会自动删除数据采集器中的内容。

请参考图2，在每个内测盒中，自检装置包括自检控制器及其相连的DAC芯片、通讯芯片和存储芯片，DAC芯片通过开关阵列连接数据采集器的各个采集通道，通讯芯片连接数据采集器的通讯口，存储芯片常用FLASH芯片。自检控制器通过DAC芯片向数据采集器发送自检测试数据，自检控制器还连接并控制开关阵列按采集周期依次导通DAC与数据采集器的各个采集通道之间的一条通路，数据采集器通过对应的采集通道对自检测试数据进行数据采集。

自检控制器通过通讯芯片获取数据采集器依次通过各个采集通道完成数据采集后的自检实采数据，并根据自检实采数据生成数据采集器对应的自检结果。自检控制器输出设定曲线的数据信号、比如正弦波，经由DAC芯片转化为一路模拟电压信号经由开关阵列传输到数据采集器。本申请不采用将自检测试数据并联输入数据采集器的所有采集通道的做法，而是逐个开启采集通道，因此每个周期内，数据采集器通过相应的采集通道采集到一个周期内的有效数据，也就是每个周期采集到的信号叠加后总的数据量相当于正常工作模式下的一个采集通道采集到的数据量，可以减少比对运算量，减少自检时间，而且由于采集通道依次工作，因此还可以避免不同采集通道之间的干扰。

自检装置在获取到数据采集器依次通过各个采集通道完成数据采集后的自检实采数据后，按照公式

计算数据采集器的按照预定采集顺序导通的第m个采集通道的采集准确性，T表示采集周期，f表示数据采集器的采集频率，i为参数，g(i)表示数据采集器通过第i个采集通道采集到的数据，h(i)表示DAC与数据采集器的第i个采集通道导通时输出的数据。

当所有采集通道的采集准确性均小于对应的预定阈值时、确定数据采集器生成指示自检通过的自检结果，当存在至少一个采集通道的采集准确性均达到对应的预定阈值时、确定数据采集器生成指示自检出错的自检结果。预定阈值为自定义值，比如可以采用0.01。另外可选的，指示自检出错的自检结果还用于指示采集准确性达到对应的预定阈值的采集通道的通道标识，以便进一步查询潜在问题、进行故障定位。

可选的，自检装置中的开关阵列包括形成级联结构的高速电子开关，通过多级高速电子开关形成开关阵列，而不是对每一个采集通道使用一个晶体管进行控制，可以有效节约对自检控制器的引脚的占用，使其可行。比如实际较为典型的应用时，数据采集器包括128个采集通道，自检装置中的开关阵列包括一个第一级高速电子开关和8个第二级高速电子开关，各个高速电子开关均为16路，第一级高速电子开关的输入端连接DAC芯片的输出端、8个输出端分别连接8个第二级高速电子开关的输入端，每个第二级高速电子开关的各个输出端分别连接数据采集器的各个采集通道；每个高速电子开关占用自检控制器的5个GPIO引脚且4个GPIO引脚用于导通控制、1个GPIO引脚用于使能，则总共只需占用自检控制器的45个GPIO引脚。

一种实现方式是，自检装置中，自检控制器选用STM32F429，DAC芯片可选取电压型芯片AD5761，高速电子开关可选用16路高速电子开关MUX506，一个周期时长100ms，采集频率10kHz，整个采集时长12.8s，设定的DAC芯片的输出信号为100Hz正弦波，最大电压为4V，最小电压为-4V。在实际操作中，可剔除电子开关切换前后10ms左右的数据对比，方式切换时产生的噪声信号对算法比对产生不利影响。

另外可选的，该弹载高速采集系统还具备黑匣子功能，如图3所示，每个内测盒中的供电控制板包括供电控制器、固态继电器组和黑匣子模块，固态继电器组的输入端连接内测盒中的供电电池、输出端连接内测盒中的传感器组、数据采集器和自检装置。黑匣子模块包括MCU及其分别相连的时钟芯片、ADC芯片和存储芯片，黑匣子模块内部的器件由独立电源供电。固态继电器组的输入端和输出端分别连接到黑匣子模块中的ADC芯片，内测盒中的数据采集器还输出信标信号至黑匣子模块中的ADC芯片，信标信号用于指示数据采集器是否正常运行。一般黑匣子模块的采集通道数为8路以内，采集频率为100Hz，数据位数为12位，以减少使用的存储空间，便于长时间使用。

黑匣子模块将固态继电器组前后端的电源电压均并联接入ADC芯片中，并有一个时钟芯片给出实时时间，在存储电压信号的同时记录实际时刻，采用独立供电，其采集频率较低，占用存储空间小，可以长期使用而不必对存储器进行擦除。黑匣子模块可以自动记录关键电路过程数据，对于单次发生的测量采集问题能够查询到原因，当数据采集器在某次采集出现故障时，可以打开内测盒，对黑匣子模块中的存储信息进行读取，以分析故障原因。

另外该弹载高速采集系统还存在如下几处设计：

(1)强度设计。

内测盒、综合测试板等设备均采用高强度铝合金材质，为避免铝焊可能带来的漏气隐患，均采用整料掏空成需要的形状，保证壳体的密封性能。

(2)缓振设计。

内部元器件均安装于减振隔板上，隔板与壳体之间设置多个橡胶减振器，对冲击载荷进行隔离，内测盒壳体与综控盒壳体均通过螺钉固连到安装基座上，兼顾最大载荷与最大位移响应，以减振频率6Hz作为设计值，并开展考虑阻尼影响的减振效果分析。根据减振器厂家提供的阻尼系数，计算选取减振器阻尼比为0.27。

(3)水密设计。

内测盒壳体与综控盒壳体内部选用中航光电GJB599Ⅲ系列的圆形气密封型电连接器，通过将接触件烧结到插座壳体或转接插座壳体里面，从而使电连接器具有良好的气密性能。电连接器采用螺母安装形式，插头和插座采用三头螺纹连接形式，并带防松脱机构，具有高强度抗冲击性能，能够耐受3ms半正弦300g加速度峰值的冲击。

盖板与壳体之间采用厌氧型平面密封胶。壳体表面处理采用喷砂+阳极氧化的处理方式。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式多通道的弹载高速采集系统，其特征在于，所述弹载高速采集系统包括：主控设备以及分别布设在导弹不同区域的若干个内测盒，每个所述内测盒内部包括供电电池及其通过供电控制板分别相连的传感器组、数据采集器和自检装置，传感器组包括布设在所述内测盒所在区域的若干个不同位置处的多个弹载传感器，所述传感器组中的各个弹载传感器分别连接至所述数据采集器的不同采集通道，所述自检装置连接所述数据采集器；所述主控设备连接各个内测盒内的供电控制板、数据采集器和自检装置；

当所述主控设备输出第一上电触发信号使内测盒运行于工作模式时，所述供电电池通过所述供电控制板对传感器组和数据采集器进行供电、对自检装置不供电，所述主控设备通过内测盒中的传感器组采集数据；

当所述主控设备输出第二上电触发信号使内测盒运行于自检模式时，所述供电电池通过所述供电控制板对数据采集器和自检装置进行供电、对传感器组不供电，所述自检装置按照预定自检策略对数据采集器进行自检后将自检结果传输给所述主控设备。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在每个内测盒中：

自检装置包括自检控制器及其相连的DAC芯片、通讯芯片和存储芯片，所述DAC芯片通过开关阵列连接所述数据采集器的各个采集通道，所述通讯芯片连接所述数据采集器的通讯口；

所述自检控制器通过所述DAC芯片向所述数据采集器发送自检测试数据，所述自检控制器还连接并控制所述开关阵列按采集周期依次导通所述DAC与所述数据采集器的各个采集通道之间的一条通路，所述数据采集器通过对应的采集通道对所述自检测试数据进行数据采集；

所述自检控制器通过所述通讯芯片获取所述数据采集器依次通过各个采集通道完成数据采集后的自检实采数据，并根据所述自检实采数据生成所述数据采集器对应的自检结果。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述根据所述自检实采数据生成所述数据采集器对应的自检结果，包括：

按照公式

计算所述数据采集器的按照预定采集顺序导通的第m个采集通道的采集准确性，T表示采集周期，f表示所述数据采集器的采集频率，i为参数，g(i)表示所述数据采集器通过第i个采集通道采集到的数据，h(i)表示所述DAC与所述数据采集器的第i个采集通道导通时输出的数据；

当所有采集通道的采集准确性均小于对应的预定阈值时、确定所述数据采集器生成指示自检通过的自检结果，当存在至少一个采集通道的采集准确性均达到对应的预定阈值时、确定所述数据采集器生成指示自检出错的自检结果。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，

指示自检出错的自检结果还用于指示采集准确性达到对应的预定阈值的采集通道的通道标识。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

自检装置中的开关阵列包括形成级联结构的高速电子开关。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在一个内测盒中：

所述数据采集器包括128个采集通道，所述自检装置中的开关阵列包括一个第一级高速电子开关和8个第二级高速电子开关，各个高速电子开关均为16路，所述第一级高速电子开关的输入端连接所述DAC芯片的输出端、8个输出端分别连接8个第二级高速电子开关的输入端，每个第二级高速电子开关的各个输出端分别连接所述数据采集器的各个采集通道；每个高速电子开关占用所述自检控制器的5个GPIO引脚且4个GPIO引脚用于导通控制、1个GPIO引脚用于使能。

7.根据权利要求1-6任一所述的系统，其特征在于，每个内测盒中的供电控制板包括供电控制器、固态继电器组和黑匣子模块，所述固态继电器组的输入端连接所述内测盒中的供电电池、输出端连接所述内测盒中的传感器组、数据采集器和自检装置，黑匣子模块包括MCU及其分别相连的时钟芯片、ADC芯片和存储芯片，所述黑匣子模块内部的器件由独立电源供电；所述固态继电器组的输入端和输出端分别连接到所述黑匣子模块中的ADC芯片，所述内测盒中的数据采集器还输出信标信号至所述黑匣子模块中的ADC芯片，所述信标信号用于指示所述数据采集器是否正常运行。

8.根据权利要求1-6任一所述的系统，其特征在于，所述主控设备包括上位机和综控盒，所述上位机位于导弹外部，所述综控盒和所有内测盒均位于导弹内，所述上位机通过上电触发信号线连接所述综控盒和各个内测盒内的供电控制板，所述综控盒通过通讯线连接各个内测盒中内的数据采集器和自检装置。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述主控设备输出的第一上电触发信号包括第一上电信号和第一触发信号：

所述上位机通过上电触发信号线向内测盒内的供电控制板输出所述第一上电信号，所述供电控制板导通供电电池对传感器组和数据采集器的供电线路、断开供电电池对自检装置的供电线路；

上电完成后，所述上位机通过上电触发信号线向综控盒输出所述第一触发信号，所述综控盒通过通讯线控制内测盒中的数据采集器通过对应的传感器进行数据采集；

数据采集完成后，所述上位机通过所述综控盒控制内测盒中的数据采集器将采集到的数据发送至所述上位机。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述主控设备输出的第二上电触发信号包括第二上电信号和第二触发信号：

所述上位机通过上电触发信号线向内测盒内的供电控制板输出所述第二上电信号，所述供电控制板导通供电电池对自检装置和数据采集器的供电线路、断开供电电池对传感器组的供电线路；

上电完成后，所述上位机通过上电触发信号线向综控盒输出所述第二触发信号，所述综控盒通过通讯线控制内测盒中的自检装置按照预定自检策略对数据采集器进行自检，并在自检完成后将自检结果发送至所述上位机。

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