一种多功能数据采集模块的结构设计与实现

陈帅　郭建奇

摘 要：为缩小整机体积、扩展数据采集及控制系统的采集通道、提高系统灵活性、提高设备集成度，设计了一种集合电源、CPU子卡、CAN子卡、GIO基板四种分模块的数据采集模块，大大提高了系统的执行效率，达到了“瘦身不瘦大脑”的目标。

关键词：数据采集模块;集成度高;可靠性高

随着机载计算机的不断发展，“瘦身计划”多次被提上日程，提高模块的集成度已经刻不容缓。因此，本文提出一种“四合一”的模块设计方法，将电源、数据处理、数据传输、离散量&模拟量采集等多个功能集中在一个模块上，该方法电路设计简单、可靠性高，能够进行多通道扩展，提高了系统的灵活性与实时性。

1 总体设计方案

该型采集模块由GIO基板、CPU模块、CAN模块、电源模块四部分组成。主要功能如下：对离散量和模拟量信号进行采集;实现与外部设备的通信（ARINC825D-CAN总线）;DC-DC转换电路具备数据记录功能;预留测试/维护接口，实现数据的上载/下载以及程序的在线调试/烧写功能;具备BIT功能，并具有运行状态的指示功能和对SPDU内部5V供电电源的监控能力。

2 硬件设计

下面从接口以及产品工作方式这两个方面来介绍该模块的硬件设计。

（1）接口。a.机械接口。通过矩形连接器与机箱下方的出线式矩形连接器相连，保证其安装位置。b.电气接口。采集模块的电气接口类型和数量如下：28V/开离散量输入采集接口：100路;模拟量输入电压采集接口：4路;双余度ARINC825总线通讯接口：1路;以太网调试接口：1路;RS232状态回显接口：1路;故障存储电路：设置128 kbytes 8位的NVSRAM存储器。c.总线接口。采集模块具备ARINC825总线接口，实现与机电管理分系统其他设备的各种通信功能。

（2）产品工作条件及方式。根据GSE*、STATUS0及STATUS1三種不同的状态，引导不同软件运行。在本系统中，引导程序只根据GSE*离散量识别空中状态和地面调试状态。

3 难点技术

3.1 离散量输入接口电路

28V/开路离散量信号采集电路主要将信号进行下拉、EMC滤波、比较输出，转换为可以进行TTL数字逻辑处理的数字信号。将信号的开路状态通过下拉电阻转化成电压信号进行采集比较，电路设计如下图所示。

根据叠加定理和比较器输入端特性可计算出下列公式：

式中：VTU=

（R1+R2）（R3+R4）+R1R2R2R4VREF-（（R1+R2）R3+R1R2）R2R4VL

及式中：VTL=

（R1+R2）（R3+R4）+R1R2R2R4VREF-（（R1+R2）R3+R1R2）R2R4VH

当比较器输出低状态时，VL≈0V;当比较器输出高状态时，等效于开路，经外部电阻上拉至5V，VH≈5V。

依据上述公式和电路的阻值，可得出Vref =6.82V;VTU≈15.8V;VTL≈14.3V。

当外部为28V状态，即Vin=28V〉15.8V，所以U4≈5V。

当外部为开路状态，通过R2下拉到地，Vin≈0V<14.3V，所以依据电路原理，U4≈0V。

3.2 模拟量精确采集输入接口电路

35V直流模拟量输入信号通过分压电路、滤波、比例放大、多路开关和电压跟随后进行A/D转换。电路设计如下图所示。

根据运放的特性输入阻抗很大，近似为开路，所以R2两端电压为UR2=R2R2+R1U1;UR2=U1/4，U1范围0V～35V，可得UR2范为0V～8.75V。

依据差分放大器的推荐电路，抑制输入信号的差模、共模干扰，在差分输入信号间增加RC电路，各器件参数根据工程经验而得。

fdi=12πR（2CD+CC）;fCOM=12πRCC。式中，CD=C1，CC=C2=C3，经计算可知fdi≈113Hz;fcom≈340kHz。

利用电阻分压和运放跟随提供BIT信号源，通过控制开关实现BIT的测试。

Ubit=R6R5+R6VCC;经计算可知，Ubit≈1V。

4 结语

本文设计了一种“4合1”的数据采集及控制系统，从系统结构、硬件设计、难点技术对其进行了详细的描述。采集模块运用于新一代机载电子设备上，与系统中其他设备共同作用，使机载电子系统的性能达到最佳。经过系统联试试验，采集模块稳定可靠，实践结果表明，该设计方案合理可行，满足机载电子系统的使用要求。

参考文献：

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