CN115098016B - 基于lrm的冗余计算机高精度ad采集设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备，包括CPU单元、FPGA单元、模拟量采集接口单元、功能接口单元及电源转换单元；基于龙芯处理器+FPGA的架构形式，支持板级模块热插拔功能，具有6路0～40V、6路‑10～10V模拟量采集接口，2路千兆冗余以太网实现PRP网络，可以将采集到的模拟量状态信息，经过数据处理、汇总、打包后，按照固定的编码格式通过网络接口上报。本发明实现对高精度模拟量进行采集并通过PRP网络上传到上位机，从而实现对模拟量数据的实时监控,同时通过双冗余保证了系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于加固计算机领域，特别是一种基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备。
背景技术
随着航空电子系统的不断发展，LRM模块在系统中的应用受到广泛的关注，特别是在第四代战斗机出现以后，LRM模块所具有的优势越来越明显，用LRM模块代替现有的LRU单元，已经成为一种必然的发展趋势。LRM相比LRU，具有以下几点优点：
1、提高了维修性。LRM将LRU的三级维修(基层级、中继级和基地级)改进为两级维修(基层级和基地级)，其中，中继级需要大量设备资源和人力资源，因此LRM提高维修性的同时，节省了大量成本。
2、增强了可靠性。封装技术和热设计技术的成熟，使LRM可靠性得到提高，同时模块和安装箱的双重外壳，使LRM具有独立的抗环境能力，进一步保证了其在工作、储存和运输过程中的可靠性。系统采用功能冗余设计，将同一类型的LRM进行资源共享，提高了航空电子系统的可靠性。
3、减少了备份。由于一个LRM模块相当于原航空电子系统中的一个ATR机箱的能力，同时同一类型的LRM具有通用性，系统在备份过程中，可直接以LRM为备份单位，减轻备份负担。
4、增强了可扩展能力。由于LRM的接口具有标准化设计，各个LRM之间具有兼容性，而系统是将LRM以类似积木搭建的方式进行组合成不同系统，所以在系统改进时，只需增加新的模块，便可达到功能扩展。
现有AD采集模块大多采用国外软硬件构造，都是流水线产品，可定制化空间小，精度受限，导致应用面狭窄，且当前AD采集模块采集通道一般以两路通道为主，对模拟量数据无法进行自动汇总解析，没有采用冗余设计，在汇总过程中会出现数据大量丢失的问题，可靠性较弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备，解决了国产计算机单机设备不稳定和AD采集精度不高的问题，且具备安全、高可靠和高精度的优点。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备，其特征在于，冗余计算机设备部署在国产龙芯平台上并该平台采用双冗余设计，AD采集设备配置完全相同，通过槽位号裁决主备；
所述AD采集设备包括：CPU单元、FPGA单元、模拟量采集接口单元、功能接口单元、电源转换单元等单元；
所述CPU单元，系统的核心单元，选用龙芯2K1000处理器，负责数据解析、打包、计算、处理等功能；
所述模拟量采集接口单元将外部输入的模拟量采集信号转换为数字信号，由FPGA单元通过LocalBus访问A/D转换芯片的寄存器，读取通道转换数据；
所述FPGA单元，用于实现AD芯片数字接口信息采集和RS422接口采集功能，以复旦微电子的JFM7K325T FPGA为核心，与CPU单元通过PCIe x1总线完成数据通信功能；
所述功能接口单元利用CPU单元提供的GMAC接口扩展2路10/100/1000Mbps以太网接口，用于与外部设备进行通信；另外，负责将CPU、FPGA提供的TTL电平的串行接口，转换为RS232、RS422电平的串行接口，用于与外部设备的串行接口通信；功能接口单元还负责配合FPGA实现采集槽位地址信息、驱动前面板信号指示灯、采集前面板钮子开关状态等功能；功能接口单元通过LRM连接器与LRM计算机模块连接
所述电源转换单元负责将12V电源输入转换为模块内部需要的+5V、+3.3V等多种等级的电平，为模块内部各单元提供工作电源；
所述AD采集设备通过热插拔模块实现AD采集设备工作状态时能无损伤插入或拔出机箱。
进一步地，所述功能接口单元还配合FPGA单元实现采集槽位地址信息、驱动机箱信号指示灯、采集连接的机箱前面板按钮子开关状态功能。
进一步地，所述模拟量采集接口单元包括信号调理电路、隔离运放电路和AD转换电路。
进一步地，所述龙芯处理器采用2K1000芯片。
进一步地，所述FPGA单元采用JFM7K325T FPGA芯片。
进一步地，该设备基于翼辉操作系统。
进一步地，所述网络接口采用XECLT2809-A作为网络变压器。
进一步地，所述热插拔模块采用XC388过压过流保护开关，内部集成一个N沟道场效应管，输入电压范围4V～48V，最大浪涌电流可达到60V，采用导通电阻40毫欧，并通过整形电路实现输入过压保护、输出过压箝位、输出过流保护、短路保护和过温保护。
进一步地，所述机箱为19英寸1U高上架式机箱，DC28V供电。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明基于龙芯处理器+FPGA的架构形式，支持板级模块热插拔功能，具有6路0～40V、6路-10～10V模拟量采集接口，2路千兆冗余以太网实现PRP网络，可以将采集到的模拟量状态信息，经过数据处理、汇总、打包后，按照固定的编码格式通过网络接口上报；实现对高精度模拟量进行采集并通过PRP网络上传到上位机，从而实现对模拟量数据的实时监控,同时通过双冗余保证了系统的可靠性；本发明设备具备安全、高可靠和高精度的优点。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于国产LRM计算机高精度AD采集模块原理框图。
图2为本发明AD采集接口原理框图。
图3为本发明热插拔电路原理框图。
图4为本发明网络接口设计部分原理图。
图5为本发明采集模块逻辑框图。
具体实施方式
基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备包括硬件设计和软件开发。硬件包括AD采集模块、LRM的冗余计算机模块和PRP网络模块。软件开发主要包括固件、驱动、LRM计算机设备软件和上位机软件的开发，用于实现AD数据采集、数据传输和数据显示等功能。
逻辑上系统可划分为硬件层、基础软件层和应用层。架构中基础软件层对应操作系统、各功能模块的驱动程序、数据采集软件和数据通信软件，其中各功能模块的驱动程序、数据采集软件和数据通信软件统一称为LRM的冗余计算机高精度AD采集组件。应用层为用户开发的上层应用软件，包含与LRM的冗余计算机高精度AD采集通讯的接口。
结合图1，本发明基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备,功能上分为CPU单元、FPGA单元、模拟量采集接口单元、功能接口单元、电源转换单元等单元。其中，CPU单元为系统的核心单元，选用国产龙芯平台的2K1000处理器，负责数据解析、打包、计算、处理等功能。FPGA单元主要完成AD芯片数字接口信息采集和RS422接口采集功能，以复旦微电子的JFM7K325T FPGA为核心，与CPU单元通过PCIe x1总线完成数据通信功能。模拟量采集接口单元用于完成模拟量采集功能，将外部输入6路的0～40V或6路-10～10V输入进行滤波、隔离、模数转换后，转换为数字量传输给FPGA单元。功能接口单元利用CPU提供的GMAC接口扩展2路10/100/1000Mbps以太网接口，用于与外部设备进行通信；另外，负责将CPU、FPGA提供的TTL电平的串行接口，转换为RS232、RS422电平的串行接口，用于与外部设备的串行接口通信，功能接口单元通过LRM连接器与LRM计算机模块连接，优选地，LRM系列连接器规格型号为LRM1P-A110H4B-B140-T1；功能接口单元还负责配合FPGA实现采集槽位地址信息、驱动前面板信号指示灯、采集前面板钮子开关状态等功能。电源转换单元负责将12V电源输入转换为模块内部需要的+5V、+3.3V等多种等级的电平，为模块内部各单元提供工作电源。模块支持板级模块热插拔功能，在机箱框架以及其中的模块正常工作时，可以插入或拔出AD采集设备，不损毁模块，也不影响机箱框架中其它模块的正常工作。
结合图2，模拟量采集接口单元包括信号调理电路、隔离运放电路、AD转换电路等部分。将外部输入的模拟量采集信号转换为数字信号，由FPGA通过LocalBus访问A/D转换芯片的寄存器，读取通道转换数据。转换后的数据由2K1000处理器通过PCIe总线进行读取、转换、处理、打包后，通过网络接口发送出去。
进一步结合图3、图4和图5，基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备实现方式：
AD采集设备需要支持热插拔操作，可以在系统不停机情况下进行现场更换，插拔过程和开关过程对系统电源电压扰动不能影响其它模块正常工作。热插拔模块采用+12V单电源供电，输入电源经过一个热插拔芯片后，再为后级电路供电，以此来实现对热插拔功能的支持。
热插拔芯片选用株州展芯公司的XC388过压过流保护开关，内部集成一个N沟道场效应管，输入电压范围4V～48V，最大浪涌电流可达到60V，导通电阻40毫欧，可以实现输入过压保护、输出过压箝位、输出过流保护、短路保护和过温保护等功能；芯片具有SS引脚，可以通过外接不同容值的电容到低，设置软启动时间，减少模块上电过程中的电流冲击；芯片还具有独立的EN引脚，电平为高电平时，芯片工作。
结合图3给出本模块热插拔电路原理框图；XC388芯片与LD0芯片连通，在于CPU模块连通，对CPU模块进行过压保护；DC12V电压通过电阻和电容经过整形电路对输入电压波形进行处理后传输到CPU模块；CPU模块与两路网络进行连接包括网口1和网口2，CPU模块将数据处理后通过网络传输到外围设备。
将芯片过压关断点OVP设置为30V，箍位电压VCP设置为13.5V，以增强模块的电源抗扰动能力。针对LRM模拟量采集模块进行热插拔测试，当OVP和ILMT电容为10～30pF时，OVP上电压尖峰被LC滤波，达不到OVP触发点，可有效避免XC388过流保护造成的重启。
该采集设备通过通过热插拔模块插入19英寸1U高上架式机箱，DC28V供电，硬件及底层驱动支持翼辉操作系统，配置龙芯2K1000核心板、电子盘；对外提供2路100/1000M自适应以太网口、2路USB2.0接口、1路隔离232串口接口。
该采集设备的机箱前面板设置手动操作开关，开关选用851厂的两位锁双刀双掷开关KN6A-202DQM。模块插入机柜前，先将开关置于“断”，此时XC388的使能引脚为低电平，模块插入到位后，再将开关置于“通”，XC388的使能引脚为高电平，模块进入加电状态，前面板电源指示灯亮，表明电源接通正常，模块心跳指示灯亮，则表明模块开始工作。模块拔出机柜时，先将开关由“开”掰为“断”，处理器收到开关电平输入后，立即中止当前任务，并向约定的组播组发送“模块断电退出消息”(连续3次，间隔50ms)，此时XC388的使能EN依靠电容C1维持，维持时间足够发送消息且小于500ms；待前面板电源指示灯熄灭后，再将模块拔出。
2K1000处理器片上集成两路10/100/1000Mbps自适应以太网MAC，双网卡均兼容IEEE 802.3、半双工/全双工自适应工作模式，支持CRC校验码的自动生成与校验，支持前置符生成与删除；选用32所的JEM88E1111网络收发器实现千兆网络接口功能，支持TCP、UDP、FTP等常用以太网协议，选用顺络迅达公司的XECLT2809-A作为网络变压器。
量采集接口单元通过PCIe总线连接FPGA，实现对AD转换芯片的转换控制、中断读取、寄存器读取以及其他控制。
为提高模拟量采集模块信号精度主要需要消除器件本身的误差和干扰带来的误差。
a)器件本身的误差
影响A/D精度的器件主要为模拟输入器件及A/D转换器件。
测量链路中选用的电阻等元器件，均选用0.1％精度系列产品。当输入电压为0～40V时，经电阻网络分压后，理论误差介于40V*(140*0.999)/(980*1.001+140*0.999)＝4.991V与40V*(140*1.001)/(980*0.999+140*1.001)＝5.009V之间，当输入电压为-10V～+10V时，经电阻网络分压后，理论误差介于10V*(1*0.999)/(1*1.001+1*0.999)＝4.995V与10V*(1*1.001)/(1*0.999+1*1.001)＝5.005V。
TD202隔离运放当增益为1时，最大非线性度为±0.05％，最大误差为±0.05％*5V＝2.5mV；A/D转换器件SAD7656为16bit的高精度转换器件，其最大误差为±0.75％FSR，其本身的精度为±0.75×5V＝±3.75mV。
综上，当输入电压为40V时，理论误差值为(9mV+2.5mV+3.75mV)，理论精度为0.038％，当输入为-10V时，理论误差值为(5mV+2.5mV+3.75mV)，理论精度为0.1125％。
b)干扰带来的误差
影响AD采集设备转换精度的干扰主要为地线干扰和数字信号对模拟信号的干扰带来的误差。本方案中采用隔离运放进行信号隔离，模拟地和数字地完全隔离，通过器件的合理布局和布线尽量减少地线和数字信号对模拟信号的干扰；通过这些措施能较好的控制干扰，提高A/D转换精度。
实际设计过程中，在AD检测函数中增加比例修正系数，可以进一步提高测量精度。且能满足A/D模块转换精度不低于0.5％。
所述模拟量采集接口单元还包括电压温度采集单元，电压温度采集单元的电压温度采集芯片为JS32F103CB单片机，对电压温度进行采集。
本发明基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备，为了保证在发生单点故障时不会导致设备功能失效，对双冗余计算机设备作双冗余热备份。控制组合配置两块以上完全相同的计算机设备，通过4路不同的GPI槽位信号区分默认的主/备，槽位信号通过设备总线连接电缆内预留的4根信号线确定，所述网络和串口功能软件运行基于国产翼辉操作系统实现；两个以上计算机设备之间通过心跳、通信接口(I/O、RS232)等进行主备状态互检和切换控制，使国产计算机的更加安全可靠。
Claims (10)
1.一种基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备，其特征在于，包括CPU单元、FPGA单元、模拟量采集接口单元、功能接口单元及电源转换单元；
所述CPU单元，采用龙芯处理器，用于负责数据解析、打包、计算、及处理功能，并将数据通过网络接口发送出去；
所述FPGA单元，用于实现AD芯片数字接口信息采集和RS422接口采集功能，与CPU单元通过PCIe x1总线完成数据通信功能；
所述功能接口单元通过CPU提供的GMAC接口扩展2路10/100/1000Mbps以太网接口，用于与外部设备进行通信；同时，将CPU单元、FPGA单元提供的TTL电平的串行接口，转换为RS232、RS422电平的串行接口，用于与外部设备的串行接口通信，功能接口单元通过LRM连接器与LRM计算机模块连接；
所述模拟量采集接口单元将外部输入的模拟量采集信号转换为数字信号，由FPGA单元通过LocalBus访问A/D转换芯片的寄存器，读取通道转换数据；
所述电源转换单元负责将12V电源输入转换为模块内部需要的+5V、+3.3V多种等级的电平，为模块内部各单元提供工作电源；
所述AD采集设备通过热插拔模块插入或拔出机箱。
2.根据权利要求1所述的基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备，其特征在于，所述功能接口单元还配合FPGA单元实现采集槽位地址信息、驱动机箱信号指示灯、采集连接的机箱前面板按钮子开关状态功能。
3.根据权利要求1所述的基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备，其特征在于，所述模拟量采集接口单元包括信号调理电路、隔离运放电路和AD转换电路。
4.根据权利要求1所述的基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备，其特征在于，所述模拟量采集接口单元还包括电压温度采集单元，电压温度采集单元采用JS32F103CB单片机。
5.根据权利要求1所述的基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备，其特征在于，所述龙芯处理器采用2K1000芯片。
6.根据权利要求1所述的基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备，其特征在于，所述FPGA单元采用JFM7K325T FPGA芯片。
7.根据权利要求1所述的基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备，其特征在于，该设备基于翼辉操作系统，所述LRM连接器型号为LRM1P-A110H4B-B140-T1。
8.根据权利要求1所述的基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备，其特征在于，所述网络接口采用XECLT2809-A作为网络变压器。
9.根据权利要求1所述的基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备，其特征在于，所述热插拔模块采用XC388过压过流保护开关，内部集成一个N沟道场效应管，输入电压范围4V～48V，最大浪涌电流可达到60V，采用导通电阻40毫欧，并通过整形电路实现输入过压保护、输出过压箝位、输出过流保护、短路保护和过温保护。
10.根据权利要求1所述的基于LRM的冗余计算机高精度AD采集设备，其特征在于，所述机箱为19英寸1U高上架式机箱，DC28V供电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 222061 No.18, Shenghu Road, Lianyungang City, Jiangsu Province Applicant after: The 716th Research Institute of China Shipbuilding Corp. Address before: 222061 No.18, Shenghu Road, Lianyungang City, Jiangsu Province Applicant before: 716TH RESEARCH INSTITUTE OF CHINA SHIPBUILDING INDUSTRY Corp. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |