一种通道可扩展的堆叠式数据采集系统设计

卢振国 王红亮 胡晓峰

摘要：针对武器装备测试过程中对振动、冲击、压力等多路信号的采集需求，设计一种通道可任意扩展的堆叠式微型数据采集系统。采用FPGA作为核心控制器，将系统功能划分为基础控制模块和数据采集模块，通过在基础模块上叠加数据采集模块的方法实现对采集通道数量的扩展。数据采集模块内置程控信号调理电路和采集电路，采集数据编帧后通过M-LVDS多点互联总线传输到控制模块中。系统由控制模块管理采集模块，并通过USB电缆将数据上传到计算机进行波形分析。经测试，该仪器能按需求灵活扩展通道数量，单通道采样率最高可达500KS/s，具有微型化、抗冲击等突出特点。

关键词：通道扩展；数据采集；程控调理电路；M-LVDS总线

0引言

当前，随着仪表技术、计算机技术和传感器技术的不断发展，结构微型化、功能多元化、通道可扩展已经成为数据采集系统的发展主流趋势。在飞行器及火箭装备测试过程中，需要实时采集和存储设备工作过程中的位移、加速度、压力和温度等多路信号。这就对数据采集系统的采样率、集成度和通道数量提出了新的要求。

目前国内多通道数据采集设备一般内部信号调理电路和通道数目固定，无法根据采集需求，灵活扩展采集通道数量，并且由于传输速度的限制，通道数目以及采样率都不是很高朔。而国外多家公司如NI、DTS、ETEP等推出的数据采集系统都具备了测量精度高、信号范围广、多通道可扩展、抗干扰能力强等特点，在全球范围内占据了领先的市场地位。但由于售价昂贵和技术封锁原因，这些产品尤其是军品难以在国内市场上流通。

为了解决当前采集系统存在的通道固化、安装维护不便、连线复杂、仪器体积过大等突出问题，本文采用多点互联总线通信的方法设计了一种通道可自由扩展的堆叠式微型数据采集系统。该系统基于多点低电压差分信令（M-LVDS）总线实现控制模块与采集模块之间的数据和指令传输，并对挂载在总线上的各个数据通道集中管理，采集模块内置獨立控制器和程控调理电路，通过增减采集模块的数量即可实现对不同采集通道的扩展，为装备维护带来极大的便利。

1系统整体设计

通道可扩展数据采集系统主要由一个基础模块和多个数据采集模块组成，系统通过基础模块对各采集模块进行统一管理，每级联单个采集模块可扩展3路采集通道，系统采集通道最多可达24路。

系统组成框图如图1所示。采集模块可外接三路桥式传感器，每路传感器差分信号经过程控放大、程控滤波和A/D转换后，在FPGA的控制下按照一定的数据帧格式进行缓存，随后通过M-LVDS总线向基础模块发送。

基础控制模块内部包含FPGA控制器、M-LVDS接口电路、USB接口电路、NAND Flash存储器等。作为整个系统的核心控制模块，一方面，基础模块中数据管理器负责管理多个数据采集模块，同时将通过M-LVDS总线接收到的采集数据，存储在其内部Flash中：另一方面通过USB接口接收到上位机配置信息和其他指令，并将存储器中的采集数据回传计算机中。

2硬件设计

堆叠式微型数据采集系统在设计电路结构时，充分考虑仪器的微型化和抗冲击防护性能，为实现任意组合采集模块的设计要求，每个采集模块都采用相同的结构设计。其设计重点主要由程控放大电路、程控滤波电路和M-LVDS互联接口电路等组成。

2.1程控放大电路

桥式传感器的输出为毫伏级微弱电压信号，仪表放大器AD620对桥式传感器输出的差分信号具有良好的放大效果。为了匹配A/D转换芯片输入量程，采用数字电位器AD5270的输出电阻作为AD620的Rg输入，通过调节外接电阻Rg的大小设置放大倍数。同时，为了提高增益步进精度，使用PGA202可编程放大器为核心，设置二级固定增益放大电路。系统通过两级放大电路可准确实现在0-40 dB增益范围内，1倍和10倍增益步进调节，有效提高系统对不同级别信号的采集能力。程控放大电路的原理图如图2所示。

2.2程控滤波电路

装备测试过程中各设备之间存在着较多的串扰信号，这些串扰信号产生的高频杂波容易使输出波形产生尖峰毛刺。由于机械振动频率一般低于10 kHz，其他待测信号如应变、冲击等信号频率更低。为了获得通带内平稳的幅频特性并提高对多种信号的采集能力，本设计采用前后两级滤波电路配合实现程控滤波功能，程控滤波电路原理图如图3所示。前级滤波器采用UAF42芯片完成4阶有源巴特沃斯低通滤波器功能，该芯片具有集成度高、使用灵活的特点，能较好降低由电源电压不纯而引起的纹波输出噪声；二级滤波器选用阶数和截止频率均可调的MAX264程控滤波芯片实现程控低通滤波器功能，其通带截止频率可达140 kHz，可根据采集信号的带宽对其9值以及截止频率进行调节，从而使系统能够适应对多种信号的采集需求。

系统采用ADI公司的16位ADC芯片AD7988作为模数转换器，该芯片的设计输入为0～5 V的电压信号，数据以串行方式输出，单通道最高采样率为1 MS/s。为了预留一定比例的带宽资源，设计中将采样时钟设置为500 kHz，完全满足对设备振动信号的采集需求。

2.3 M-LVDS互联接口电路

为了简化基础控制模块与数据采集模块之间的物理连接方式，并保证数据传输的可靠性，在微型数据采集系统的数据传输过程中，合理的通信接口和总线拓扑结构是实现系统多节点之间可靠通信的关键技术。

选用集接收器和驱动器为一体的ADN4693E作为M-LVDS收发器芯片，该芯片采用双线差分传输，支持多节点传输结构，能实现高达250 Mb/s的高速通信。M-LVDS适合于背板或线缆多点数据和时钟传输等应用，M-LVDS接口电路如图4所示。

为了保证多点信号传输特性，在M-LVDS总线两端的收发器分别采用50终端电阻进行匹配。M-LVDS总线作为各模块之间的通信链路，其拓扑结构如图5所示。

M-LVDS数据传输总线主要完成构建系统多点互连拓扑结构功能。系统中的每个数据采集模块均由控制模块控制其工作状态，点对点的通信方式必将耗费大量的物理节点，这为采集通道的扩展设计带来诸多不便。在M-LVDS多点互联应用模式中，多个收发器节点共享同一传输链路，且支持热插拔功能，具备较好的信号传输特性，可以有效解决模块扩展过程中遇到的问题。

3软件设计

3.1模块通信程序设计

采集模块与控制模块之间的通信工作流程图如图6所示。

数据采集模块在系统上电后，开始执行初始化操作，采集模块内部FPGA通过接收判别电路反馈信号，识别每个采集通道传感器的连接状态，并将对应的状态字写入其内部状态寄存器。各个采集模块在接收到来自控制模块的查询命令后，将通道状态字和寄存器标识符等通道信息，通过M-LVDS多点互联传输总线发送给基础模块，同时通过FPGA将获取的采集模块配置信息如程控放大增益参数、程控滤波配置参数和AD采样率等写入相应的配置寄存器中。系统完成全部采集模块配置后，由基础控制模块发送采集触发命令，采集模块实时采集通道数据信号，并按照传输协议将数据打包，保存在其内部的缓存存储器中。为了保证采集模块中数据的可靠传输，在一定时间范围内，基础控制模块将采用轮询的方式向采集模块发送数据传输命令，并将接收数据存储在内部大容量存储器中。采集模块按照以上流程顺序执行采集、存储、发送等操作周期，在收到采集终止命令后，完成一次采集操作，并执行复位命令，重新进行初始化。

3.2程控参数配置程序设计

数据采集模块接收程控参数并完成参数配置的工作流程图如图7所示。

初始化结束后采集模块开始接收系统指令，并将指令中的地址信息与自身序列号进行比对，只有信息匹配成功后采集模块才会接收采集指令并启动相应的采集通道。当采集模块中的多个通道同时被选通时，使用通道掃描的方式依次选通各通道，并将配置参数通过SPI接口写入相应的配置寄存器中。

4系统测试

4.1多节点通信功能验证

首先对FPGA中M-LVDS接口的多点互联通信逻辑功能进行验证，使用ISE集成开发套件中的ChipScope软件实时抓取M-LVDS互联总线上的传输数据，如图8所示。从图中可知，每个采集模块在接收到由基础控制模块发送的读取命令后，顺序返回该模块2字节递增数，说明多点通信传输功能良好；同时，每个采集模块通过帧同步标识符建立和保持与控制模块的通信传输时间，采集模块在与控制模块通信过程中，M-LVDS总线一直处于忙碌状态，而其他采集模块均执行等待命令，控制模块接收单个采集模块数据并校验传输帧正确后，顺序执行对下一采集模块访问，说明系统各功能模块之间的通信逻辑正确。

4.2波形文件分析

使用信号发生器作为模拟信号源，输出频率为20 kHz、峰峰值为250 mV的正弦波信号；系统测试环境及实物模块如图9所示。

为了测试单模块的采集性能，将输入信号线接在传感器输入接口上。将采集数据编帧后上传至上位机，导出部分波形解析文件如图10所示。

对采集数据标定后的波形曲线如图11所示。从图中可以看出，由于FPGA的通道扫描速度远高于芯片的量化和编码过程，系统对振动和冲击等信号的采集达到了伪同步的效果。在采集过程中，将单通道采样率设置为500 kS/s，输出波形平滑，满足测试要求。

5结束语

本文采用模块化设计方法，以FPGA为核心控制器设计了堆叠式微型数据采集系统。系统使用多点互联的总线通信方式，简化了仪器的物理连接，能根据采集任务和测试环境，通过上位机应用程序灵活设置每个通道放大增益参数、滤波系数及AD采样率等配置信息，并按照需求扩展通道数量。为解决仪器测试中灵活扩展采集通道数量提供了一种有效的方案。