CN211717693U - 一种分布式同步高速压力测量仪及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种分布式同步高速压力测量仪及系统，所述测量仪包括微控制器、总线控制器、压力传感器阵列、温度传感器阵列、管路与阀门、网络接口芯片、电源管理模块，所述的微控制器包括用于硬件触发的外部中断接口、用于和测试主机通信的网络控制器、用于提供实时时钟及接受测试主机基于GPS/北斗同步授时的RTC、用于实现多路压力传感器并行采集的总线控制器接口、用于温度补偿的温度传感器接口。本实用新型便于扩展灵活性高、可实现数据的高速采集和多通道并行采集、具有高精度的时间基准和同步精度、通过全场温度测量和补偿提高了测量精度。

Description

一种分布式同步高速压力测量仪及系统

技术领域

本实用新型涉及压力测量领域，特别地，涉及一种分布式同步高速压力测量仪及系统。

背景技术

火箭发动机、航空发动机设计过程中，需要对发动机进行一系列的燃烧特性试验，为了获取准确的特性参数，需要对发动机进气道、燃烧室、喷管等不同截面、不同方位的压力参数进行测量，压力测量通道可达到数百路。传统的测量系统多采用独立传感器，由于测试现场振动和噪声较大，并且具有一定的危险性，一般将传感器布置在现场，数据采集器、测试控制器放置在远离发送机现场的机房中。在测量通道较多的时候，线缆铺设困难、校准过程繁琐、准备时间长，已不能满足大规模、测试条件复杂、测试周期短等试验要求。

随着技术的发展，已经出现了一些分布式压力测量设备。但这些分布式压力采集设备大部分采用模拟器件，噪声大。而为了减低成本，测量仪内部AD有限，采用扫描方式，不能做到并行采集，并且采样率通常只有 100Hz，不能满足高速采集的需求。同时由于多个测量模块之间没有进行时间同步，使的整个系统的时间同步精度很低。没有温度补偿功能，温度变化大时，测量精度下降。

实用新型内容

本实用新型一方面提供了一种分布式同步高速压力测量仪，以解决现有压力测量设备可扩展性差、采样率低、时间同步精度低、测量精度下降的技术问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

微控制器，包括用于硬件触发的外部中断接口、用于和测试主机通信的网络控制器、用于提供实时时钟及接受测试主机基于GPS/北斗同步授时的RTC、用于实现多路压力传感器并行采集的总线控制器接口、用于温度补偿的温度传感器接口；

总线控制器，与所述总线控制器接口电气连接，采用FPGA并设置有复数个传感器接口和对应的寄存器实现多通道传感器的数据采集和缓存；

压力传感器阵列，包括复数个压力传感器，分别与所述总线控制器对应的传感器接口电气连接，用于并行采集压力数据；

温度传感器阵列，包括复数个温度传感器，与所述温度传感器接口电气连接，用于采集所述压力传感器阵列中各压力传感器的温度；

管路与阀门，设置在所述压力传感器阵列的进气端，用于控制和完成气体到各压力传感器的传递路径，实现正常测量模式、校准模式、反吹模式的切换；

网络接口芯片，与所述网络控制器电气连接，用于实现微控制器与以太网的连接与电气驱动；

电源管理模块、用于提供稳定及受保护电源。

进一步地，所述传感器接口为数字接口，所述压力传感器为数字式压力传感器，所述数字接口包括I2C接口、SPI接口。

进一步地，当通过GPS/北斗授时卡为测试主机授时，所述的RTC 通过IEEE 1588协议实现从压力测量仪与测试主机的时间同步。

进一步地，所述的温度传感器设置在测量仪内且与所述压力传感器相邻。

进一步地，所述温度传感器和压力传感器采用阵列分布，且所述温度传感器设置于相邻的复数个压力传感器之间。

进一步地，所述微控制器设置有复数个与所述寄存器一一对应的数据缓冲区，所述微控制器以地址映射方式读取所述总线控制器内寄存器的数据，并放入对应的数据缓冲区。

进一步地，还包括外部FLASH，所述外部FLASH与所述微控制器电气连接，用以存储测量仪配置信息，包括采样设置、校准参数、传感器的温度特性曲线。

进一步地，所述管路与阀门通过阀门控制接通被测压力、校准压力源、吹除压力源，所述正常测量模式下，控制被测压力分别连接到各压力传感器；校准模式下，控制校准压力源连接到各压力传感器，且所有压力传感器共一个压力输入；所述反吹模式下，控制吹除压力源经内部管路，由测量压力接嘴排出完成内部管路吹除。

根据本实用新型的另一方面还提供了一种分布式同步高速压力测量系统，包括：

测试主机；

交换机，所述交换机的一端口通过网络与所述测试主机电气连接；

复数个如所述的分布式同步高速压力测量仪，每个分布式同步高速压力测量仪的网络接口芯片与所述交换机对应的端口电气连接。

进一步地，所述的交换机为POE交换机。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的分布式同步高速压力测量仪及系统的数据传输基于网络，便于扩展和组建大规模测试系统，满足不同规模的测量需要，灵活性高；采用FPGA做总线控制器，使传感器采样不占用微控制器资源，从而实现了数据的高速采集和多通道并行采集，确保采样率可达到1K sample/s；基于GPS/北斗授时、RTC实现高精度时间同步，使整个测量系统实现高精度的时间基准和同步精度；通过全场温度测量和补偿，提高了测量精度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型优选实施例的分布式同步高速压力测量仪组成示意图。

图2是本实用新型优选实施例的分布式同步高速压力测量仪数据流向示意图。

图3是本实用新型优选实施例的分布式同步高速压力测量仪时间同步示意图。

图4是本实用新型优选实施例的分布式同步高速压力测量仪温度压力传感器分布示意图。

图5是本实用新型优选实施例的分布式同步高速压力测量系统组成示意图。

图6是本实用新型优选实施例的分布式同步高速压力测量系统时间同步示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

参照图1，本实用新型的优选实施例提供了一种分布式同步高速压力测量仪，包括：微控制器、总线控制器、压力传感器阵列、温度传感器阵列、网络接口芯片、电源管理模块。

所述微控制器包括用于硬件触发的外部中断接口、用于和测试主机通信的网络控制器、用于提供实时时钟及接受测试主机基于GPS/北斗同步授时的RTC、用于实现多路压力传感器并行采集的总线控制器接口、用于温度补偿的温度传感器接口；

所述总线控制器与所述总线控制器接口电气连接，采用FPGA并设置有复数个传感器接口和对应的寄存器实现多通道传感器的数据采集和缓存；由于微控制器数字接口(I2C、SPI)有限，并且数字通信需要时间，在采集通道较多的情况下，即使采用DMA方式，使用微控制器自带的总线接口不能满足多通道、高速、并行采集的要求，因此本发明采用大规模 FPGA开发总线控制器。在FPGA内部，实现多个传感器控制接口，每个传感器控制接口对应一个传感器，并行开展多通道传感器的数据采集，采集过程由FPGA自行完成，不占用微控制器资源，从而实现高速并行采集。

所述压力传感器阵列包括复数个压力传感器，分别与所述总线控制器对应的传感器接口电气连接，用于并行采集压力数据；

所述温度传感器阵列包括复数个温度传感器，与所述温度传感器接口电气连接，用于采集所述压力传感器阵列中各压力传感器的温度；

管路与阀门，设置在所述压力传感器阵列的进气端，用于控制和完成气体到各压力传感器的传递路径，实现正常测量模式、校准模式、反吹模式的切换；

所述网络接口芯片与所述网络控制器电气连接，用于实现微控制器与以太网的连接与电气驱动；

所述电源管理模块用于提供稳定及受保护电源，实现滤波、稳压、保护等电源管理。

本实施例的测量仪安装有嵌入式实时操作系统以及测量仪管理软件，负责测量任务的管理、多任务调度，以及与上位机的通信，均为现有软件，在此不再详述。

本实施例提供的分布式同步高速压力测量仪，其本实用新型提供的分布式同步高速压力测量仪及系统的数据传输基于网络，便于扩展和组建大规模测试系统，满足不同规模的测量需要，灵活性高；采用 FPGA做总线控制器，使传感器采样不占用微控制器资源，从而实现了数据的高速采集和多通道并行采集，确保采样率可达到1K sample/s；基于GPS/北斗授时、RTC实现高精度时间同步，使整个测量系统实现高精度的时间基准和同步精度；通过全场温度测量和补偿，提高了测量精度。

具体而言，所述传感器接口为数字接口，所述压力传感器为数字式压力传感器，所述数字接口包括I2C接口、SPI接口，本实施例采用SPI接口。

如图3所示，当通过GPS/北斗授时卡为测试主机授时，所述的 RTC通过IEEE 1588协议实现从压力测量仪与测试主机的时间同步。时间基准是测量系统的基本要素。本实施例采用基于GPS/北斗授时、 IEEE 1588协议等多种方法实现网内多测量仪模块的时间同步。通过 GPS/北斗授时卡为测试主机授时，使的测试主机具备高精度、高稳定度的绝对时间基准(精度可达10-7秒)。通过IEEE 1588协议实现压力测量仪与测试主机的时间同步(时间同步精度达到10-6秒)。在同一个测量仪内部，通过在总线控制器中设置同步触发模块，实现多通道同步采集(精度可达10-9秒)。通过上述措施使整个测量系统实现高精度的时间基准和同步精度。微控制器带有RTC，可存储本地时间，压力测量仪通过网络进行时间同步时，同时为RTC授时，微控制器采用高稳定度温补晶振，因此RTC时间可以在一段时间内保持较高精度。

如图4所示，在可行的实施例中，所述的温度传感器设置在测量仪内且与所述压力传感器相邻。温度变化会影响压力传感器的测量值，因此需要对传感器进行温漂校正。在压力传感器的附近，布设温度传感器，采集温度，作为压力传感器温度漂移校准的依据。具体地，压力测量仪内部可能存在温度梯度，因此为了提高温度测量的准确性，在压力测量仪内部布置多个温度传感器，使温度传感器尽量靠近压力传感器。为了节省空间，可以临近的多个压力传感器功用一个温度传感器，压力传感器与温度传感器的布局如图3所示，所述温度传感器和压力传感器采用阵列分布，且所述温度传感器设置于相邻的复数个压力传感器之间，这样，一个温度传感器可以用于测量多个相邻压力传感器的温度，从而减少温度传感器的数量及所占空间，促进仪器的小型化。

由于温度会对压力传感器的测量精度造成影响，为了提高测量精度，需要进行温度补偿。本实施例通过高低温试验获得压力传感器的温度特性曲线f(t)，得到不同温度下测量值的偏差。在压力测量仪内部，压力传感器附近布置温度传感器，测量压力传感器的温度，然后根据事先测得的温度特性曲线对压力传感器的测量值进行校准。

具体而言，所述微控制器设置有复数个与所述寄存器一一对应的数据缓冲区，所述微控制器以地址映射方式读取所述总线控制器内寄存器的数据，并放入对应的数据缓冲区，采集的数据缓存在总线控制器中，采集结束后以中断形式通知总线控制器接口，总线控制器接口通过地址映射访问总线控制器，将数据读出，从而实现高速的数据读取。

压力传感器数据由总线控制器采集，总线控制器用FPGA开发，通过内部的硬件触发实现高精度的并行采集，数据存放在FPGA的寄存器中，总线控制器完成数据采集后，以中断方式通知微控制器读取，微控制器以地址映射方式读取所有通道的数据，并放入微控制器内部的数据缓冲区。每个通道都具有自身专属的数据缓冲区，数据缓冲区的缓存深度可通过上位机指令进行调整。数据缓冲区的数据用于滤波处理。数据缓冲区采用先进先出的数据操作方式。上传至上位机的数据可以是原始数据，也可以是滤波后的数据。

另外，所述的压力测量仪还包括外部FLASH，所述外部FLASH 与所述微控制器电气连接，用以存储测量仪配置信息，包括采样设置、校准参数、压力传感器的温度特性曲线。为后续的数据采样、压力传感器校准提供相关的基础数据。

具体而言，所述管路与阀门通过阀门控制接通被测压力、校准压力源、吹除压力源，所述正常测量模式下，控制被测压力分别连接到各压力传感器；校准模式下，控制校准压力源连接到各压力传感器，且所有压力传感器共一个压力输入；所述反吹模式下，控制吹除压力源经内部管路，由测量压力接嘴排出完成内部管路吹除，防止管路堵塞。本实施例通过各阀门的关闭，实现压力正常测量、压力传感器的校准、管路的反吹清洁，确保测量仪的稳定、可靠运行。

如图5所示，本实用新型另一实施例还提供了一种分布式同步高速压力测量系统，包括：

测试主机；

交换机，所述交换机的一端口通过网络与所述测试主机电气连接，所述的交换机为POE交换机，可同时提供数据路由和电能供应；

n个所述的分布式同步高速压力测量仪，每个分布式同步高速压力测量仪的网络接口芯片与所述交换机对应的端口电气连接。

多个压力测量仪可以联合使用，从而构成大规模的测量系统。本实施例的多测量仪互联方式。压力测量仪采用网络通信方式与测试主机相连。多个压力测量仪通过POE网络交换机连接到测试主机。多个压力测量仪通过网线连接到POE交换机，POE交换机一方面实现多测量仪网络连接，另一方面为个压力测量仪供电。本实施例基于网络将测试主机和若干测量仪进行连接，便于扩展和组建大规模测试系统，满足不同规模的测量需要，灵活性高。

如图6所示，所述分布式同步高速压力测量系统的时间通过过程与前述实施例的单个压力测量仪类似，即通过GPS/北斗授时卡为测试主机授时，使的测试主机具备高精度、高稳定度的绝对时间基准(精度可达10-7 秒)，接着通过IEEE 1588协议实现各个压力测量仪与测试主机的时间同步(时间同步精度达到10-6秒)，从而确保整个分布式同步高速压力测量系统具有较高的时间同步精度。

所述测试主机通过相关软件对压力测量仪进行配置，同一个测试项目可以包含多个测量仪模块，每个压力测量仪可使用全部或部分通道，所述测试主机可以对分属不同测量仪的通道进行排序，具体配置过程及相关软件为现有技术，无需对软件和协议的改进，在此不再赘述。

上述分布式同步高速压力测量系统的工作流程包括：

(1)微控制器初始化

压力测量仪加电后，微控制器首先进行嵌入式操作系统初始化，进而初始化网口、SPI或I2C等外部接口。

(2)系统配置

从外部FLASH中读取配置信息，包括设备ID、网络设置、通道设置。

(3)启动多线程任务

初始化和系统配置完成后，嵌入式实时操作系统启动多个线程任务 (如通信线程、采样线程、监控线程等)

(4)预采集

总线控制器开始预采集并将数据存入寄存器，采集完成后通知微控制器，微控制器读取数据并将数据放入缓存。

(5)等待测试主机指令

微控制器通信线程若收到测试主机指令，则对指令进行解析和执行。指令包括查询测量仪、设置测量仪、复位测量仪、上传数据等。

(6)上传数据

如果收到上传数据的命令，则微控制器根据设定的触发方式，在触发到来时，按设定的采样频率通过总线控制器读取压力传感器数据，根据设置，对压力传感器数据进行滤波、转换等处理，并通过网络上传至测试主机。

(7)数据处理

测试主机收到各压力测量仪通过网络上传的数据包后，提取有效数据，根据各压力测量仪地址和通道配置信息提取各模块、各通道数据，并按顺序排列。

以上实施例均不存在对软件和协议的改进，所涉及的软件及方法过程均为现有技术。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式同步高速压力测量仪，其特征在于，包括：

微控制器，包括用于硬件触发的外部中断接口、用于和测试主机通信的网络控制器、用于提供实时时钟及接受测试主机基于GPS/北斗同步授时的RTC、用于实现多路压力传感器并行采集的总线控制器接口、用于温度补偿的温度传感器接口；

总线控制器，与所述总线控制器接口电气连接，采用FPGA并设置有复数个传感器接口和对应的寄存器实现多通道传感器的数据采集和缓存；

压力传感器阵列，包括复数个压力传感器，分别与所述总线控制器对应的传感器接口电气连接，用于并行采集压力数据；

温度传感器阵列，包括复数个温度传感器，与所述温度传感器接口电气连接，用于采集所述压力传感器阵列中各压力传感器的温度；

管路与阀门，设置在所述压力传感器阵列的进气端，用于控制和完成气体到各压力传感器的传递路径，实现正常测量模式、校准模式、反吹模式的切换；

网络接口芯片，与所述网络控制器电气连接，用于实现微控制器与以太网的连接与电气驱动；

电源管理模块、用于提供稳定及受保护电源。

2.根据权利要求1所述的一种分布式同步高速压力测量仪，其特征在于，

所述传感器接口为数字接口，所述压力传感器为数字式压力传感器，所述数字接口包括I2C接口、SPI接口。

3.根据权利要求1所述的一种分布式同步高速压力测量仪，其特征在于，

当通过GPS/北斗授时卡为测试主机授时，所述的RTC通过IEEE 1588协议实现从压力测量仪与测试主机的时间同步。

4.根据权利要求1所述的一种分布式同步高速压力测量仪，其特征在于，

所述的温度传感器设置在测量仪内且与所述压力传感器相邻。

5.根据权利要求4所述的一种分布式同步高速压力测量仪，其特征在于，

所述温度传感器和压力传感器采用阵列分布，且所述温度传感器设置于相邻的复数个压力传感器之间。

6.根据权利要求1所述的一种分布式同步高速压力测量仪，其特征在于，

所述微控制器设置有复数个与所述寄存器一一对应的数据缓冲区，所述微控制器以地址映射方式读取所述总线控制器内寄存器的数据，并放入对应的数据缓冲区。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种分布式同步高速压力测量仪，其特征在于，还包括外部FLASH，所述外部FLASH与所述微控制器电气连接，用以存储测量仪配置信息，包括采样设置、校准参数、压力传感器的温度特性曲线。

8.根据权利要求1所述的一种分布式同步高速压力测量仪，其特征在于，

所述管路与阀门通过阀门控制接通被测压力、校准压力源、吹除压力源，所述正常测量模式下，控制被测压力分别连接到各压力传感器；校准模式下，控制校准压力源连接到各压力传感器，且所有压力传感器共一个压力输入；所述反吹模式下，控制吹除压力源经内部管路，由测量压力接嘴排出完成内部管路吹除。

9.一种分布式同步高速压力测量系统，其特征在于，包括：

测试主机；

交换机，所述交换机的一端口通过网络与所述测试主机电气连接；

复数个如权利要求1至8中任一项所述的分布式同步高速压力测量仪，每个分布式同步高速压力测量仪的网络接口芯片与所述交换机对应的端口电气连接。

10.根据权利要求9所述的分布式同步高速压力测量系统，其特征在于，所述的交换机为POE交换机。

Images