基于PC104的电磁阀信号采集系统的研究与实现

魏永国 赵阳 李波

摘要：为了实现某型运载火箭电磁阀信号的实时采集，提出一种数据处理与显示一体化的便携分布式测试方案。嵌入式PC104系统作为主要测试平台，利用外设接口挂接模拟量采集模块，实现了电磁阀信号的采集存储及实时显示。采用分布式便携结构，直接与箭地接口连接，减少中间处理环节。体积小，测试方便，可靠性高，能有效检测电磁阀动作的模拟量信号的动态变化过程。

关键词：PC104 一体化 分布测试

中图分类号：TP336 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00

运载火箭地面测试作为点火发射的必要条件，通过箭地接口检测箭上各部件的工作状态。电磁阀信号作为箭上姿控发动机和动力发动机的重要检测指标，在系统测试中需要实时监测电磁阀的动作情况。采用通用的采集设备存在信号接口处理复杂，体积庞大、操作不便等问题。

随着计算机技术的迅速发展，PC104系统作为一种新型的嵌入式计算机测控平台，在软件与硬件上与标准的台式PC（PC/XT）体系结构完全兼容。它具有如下优点：体积小、高可靠性、长寿命、编程调试方便，并采用模块化结构，紧固堆叠方式安装，用户自定义方案余量更大。在航空航天电子系统中基于PC104的专用测控方案得到了广泛应用。本文利用PC104处理器外置专用采集板卡构建模拟量采集系统，完成了某型运载火箭电磁阀信号波形的采集处理。

1数据采集系统硬件设计方案

1.1系统功能及结构

本系统实现箭上电磁阀信号的实时采集及存储，该类信号幅值小，最高不超过0.8V，要求采集精度高，至少不低于12bit，采样频率达到8KHz，能精确反映出电磁阀通断过程，以测试箭上电磁阀的工作状态，箭上共有多路电磁阀信号，需要考虑到通道之间需要完全隔离，被测信号与测试设备之间完全隔离等特殊要求。

本系统的基本框架如图1所示，主处理器采用104-1814CLDNA系列嵌入式PCI/104结构主板，BIOS固化在CPU板上的闪存存储器中，主要功能包括：初始化系统硬件，设置各系统部件的工作状态，调整各系统部件的工作参数，诊断系统各部件的功能并报告故障给上层用户。

软件系统提供硬件操作控制接口，引导操作系统等。选择组合电源并利用外设接口连接硬盘、显示、键盘鼠标等设备组成一个完整的信号处理系统。

1.2 模拟量信号采集设计

本系统模拟量信号的采集主要采用PC/104接口的采集卡，该板卡可以同时完成24路信号的采集，模拟量采集卡基本框架如图2所示。

单路输入信号通过精密低功耗仪用放大器INA128的差分输入接口接入，做消噪处理，INA128的输入阻抗高达1010欧姆，输出信号进入运算放大器TL082，调整输入信号范围，满足线性光耦HCPL7520的输入范围，在该范围内进行正常隔离变换，由于每路信号都单独采用一电源芯片供电，实现24路信号的完全相互隔离。线性光耦输出将返回值传输至AD采集芯片ADS1178进行模数转换，本设计使用3片AD串联的工作方式来满足对24路信号的转换，第三片AD的DOUT脚连接到DSP的McBSP口，DSP进行信号采集及实时跳变检测处理。DSP芯片选用TI公司的TMS320VC5416。DSP芯片与接口PCI9030联接，通过PC104接口与上位机进行信号交互通讯，完成模拟量信号的采集存储与实时跳变检测功能。

考虑到部分信号时序和兼容性的问题，系统中增加了CPLD芯片，使用了Xilinx公司的XC9572XL。CPLD实现了AD和DSP之间的串口数据时序的转换及PCI9030和DSP的HPI接口之间的时序转换和前端电路的控制。

2 软件设计

按照本系统的设计目标，主要完成多路模拟量信号的实时采集存储和跳变监测判定。软件开始执行后，首先对整个系统的硬件配置进行初始化，主要包括PLL配置，中断配置，串口输出配置等功能。然后进入软件初始化流程，主要对系统的缓冲区等进行初始化。系统进入命令字匹配流程，根据用户给出的命令字进入响应的模拟信号处理流程。

模拟信号采集处理的主流程如图3所示，当进入模拟信号主流程时，此时必然接收到Start命令字。Start命令字不仅揿动模拟信号采集主流程，而且开始进行信号的采集与跳变检测，是否通知驱动读取采集的信号或跳变信息由Det和Cap两个命令字。仅当Det命令字有效时，当检测到上跳或下跳信息时才将信息写入跳变信息输出缓冲区，并向驱动发跳变发生的通知中断。当Cap命令字有效时，软件会将采集的信号数据写入信号数据输出缓冲区，并通知驱动来读取数据。用5个WORDs标识跳变信息，其前两个Words用于计数时间，单位0.125ms（8Khz采样），而后三个Words存储跳变信息，即每2bit代表一路跳变信息，通道编号从高Bit到低Bit依次为1路到24路，01标识上跳，10标识下跳。

24路信号的每次采样值一起构成一个数据块，按采样次序该数据块依次排列。因此，若要获取第1路数据，应先取第1个数据，然后每隔24个Words取一个数据，从而构成第1路采样数据。

3实验结果

利用本系统对某型火箭电磁阀信号进行波形采集，采集到的波形如图4所示，该波形有效的反映了箭上电磁阀门的动作过程。

4结语

本设计实现了采样频率为8KHz，采集精度达12bit的多路模拟量信实时采集存储功能，在系统应用中，采用便携分布式结构与箭地接口连接，减少中间处理环节，体积小，测试方便，可靠性高，有效检测出了电磁阀动作的变化过程。

本设计采集模拟量信号的同时还具有跳变监测功能，信号开始采集之前，设定跳变阈值，当输入信号大于设定阈值，系统显示上跳信息，反之显示下跳信息。本系统还具有远端判读功能，在系统应用中，本地存储模拟量信号采集数据，测试结束后，利用网络接口，将本地数据传输至后端，进行模拟量信号的判读处理。

参考文献

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[2]基于PC104的数据采集系统设计[J]，微计算机信息，2007，23（11-2）：23-26.

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[4]104-1814CLDNA Series技术手册[Z].

[5]TMS320VC5416 Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual[Z]，2005.