基于FPGA的侵徹過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

郝天琪，崔建利，李　策，張斌珍*

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

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基于FPGA的侵徹過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

郝天琪2，崔建利1，李策1，張斌珍1*

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

摘要：針對傳統(tǒng)侵徹過程數(shù)據(jù)處理繁瑣、采集效率低的不足，設(shè)計(jì)了一套基于FPGA的3軸高g值傳感器數(shù)據(jù)解算自動(dòng)采集系統(tǒng)。采用以XC3S400為主控單元，MATLAB-GUI作為上位機(jī)軟件開發(fā)平臺(tái)完成數(shù)據(jù)采集、解算。傳感器產(chǎn)生電壓信號(hào)經(jīng)過主放大器INA827芯片，通過A/D轉(zhuǎn)換器AD7934采樣，將采樣后信號(hào)存儲(chǔ)到Flash中，經(jīng)由FT2232C芯片通過USB傳回計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。通過實(shí)際測試驗(yàn)證，該系統(tǒng)不僅可以滿足侵徹過程中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)的要求，同時(shí)完成了侵徹過程數(shù)據(jù)處理解算。將數(shù)據(jù)采集與解算集成，提高了侵徹過程解算效率。

關(guān)鍵詞：FPGA；侵徹；INA827；MATLAB

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50905169）

侵徹、貫穿過程問題的研究與軍事、科技、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)，其中彈體侵徹過程是十分復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)彈體功能的最優(yōu)化，達(dá)到對目標(biāo)的最大摧毀效果，就要求獲取彈體侵徹過程中的加速度信號(hào)，并對采集的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算［1-3］。目前，侵徹過程的解算主要以彈載存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)，采用VB、Visual Studio+QT等作為上位機(jī)軟件開發(fā)平臺(tái)，最后使用Origin、Matlab等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。雖然解決了侵徹過程的數(shù)據(jù)解算，但是面對大量數(shù)據(jù)不但效率低，而且數(shù)據(jù)處理也甚為繁瑣。

FPGA具有時(shí)鐘頻率高、控制周期短、執(zhí)行速度快、靈活性強(qiáng)、通用能力好等優(yōu)點(diǎn)［4，5］，結(jié)合USB芯片F(xiàn)T2232C具有熱插拔、速度快和外設(shè)容量大以及便攜等特性，以AD7934作為A/D采集模塊組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用MATLAB-GUI處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，開發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)作為上位機(jī)軟件開發(fā)平臺(tái)不僅可以完成上位機(jī)的功能，也集成數(shù)據(jù)解算功能［6］。與傳統(tǒng)侵徹過程解算相比，具有操作簡單、效率高的優(yōu)勢。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

侵徹過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成如圖1所示。電源模塊將7.4 V鋰電池和4.5 V氧化銀電池轉(zhuǎn)化成2.5 V、3.3 V電壓后，為系統(tǒng)各模塊、芯片供電。根據(jù)系統(tǒng)的需求，選擇Xilinx公司生產(chǎn)的FPGA芯片XC3S400作為主控單元完成對采集存儲(chǔ)模塊的采集、控制和傳輸?shù)臅r(shí)序控制。并以XCF01S為配置芯片，由25MHz的外部晶振提供時(shí)鐘信號(hào)，主要有前信號(hào)調(diào)理預(yù)處理、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠纸M成。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

彈體侵徹的模擬信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理預(yù)處理經(jīng)過A/D采集模塊，F(xiàn)PGA控制A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集，并按照一定格式存入存儲(chǔ)器中。上位機(jī)通過USB通信接口芯片F(xiàn)T2232C上傳至計(jì)算機(jī)中，完成數(shù)據(jù)解算。

2　系統(tǒng)硬件組成

2.1數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)使用ADI公司的AD7934芯片逐次逼近型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置一個(gè)低噪聲、寬帶寬、差分采樣保持放大器，可處理最高達(dá)50 MHz的輸入頻率［7-8］，一次完成12 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換，具有高速、低功耗、最高吞吐量1.5 Msample/s的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中使用電源模塊提供的3.3 V供電，REF引腳外接一個(gè)精確的3.3V電壓源用作模數(shù)轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓將轉(zhuǎn)換量程設(shè)置為0~3.3 V。使用外部提供25 MHz時(shí)鐘信號(hào)，采樣率達(dá)300 kHz。AD7934的工作時(shí)序如圖2所示。

圖2　AD7934工作時(shí)序圖

2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸接口采用的是FTDI公司的一款USB到UART/FIFO的轉(zhuǎn)換電路FT2232C。FT2232C具有兩個(gè)多用途的UART/FIFO控制器，可分別配置成不同的工作模式。一個(gè)USB下游端口轉(zhuǎn)換成兩個(gè)I/O通道，每個(gè)I/O通道相當(dāng)一個(gè)FT232BM或FT245BM，可以單獨(dú)配置成UART接口或者FIFO接口。通過對外掛EEPROM的配置，F(xiàn)T2232C還提供一系列新的操作模式，如多協(xié)議同步串行機(jī)接口［9］。FT2232C只需添加簡單配置電路，便可實(shí)現(xiàn)由單電路到雙通道串/并口的轉(zhuǎn)換，集成了全部USB處理協(xié)議，使用時(shí)不需要另外編寫USB固件程序2個(gè)I/O通道（A/B）相互獨(dú)立，可配置成2個(gè)5 V、2個(gè)3.3 V或一個(gè)5 V、一個(gè)3.3 V的邏輯I/O接口，F(xiàn)T2232C發(fā)送數(shù)據(jù)的速率為300~1 Mbit/s或3Mbs。FT2232C通過8 bit并行接口與FPGA微控制器外設(shè)接口連接，實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)的交換，上位機(jī)通過USB接口與FT2232C傳輸數(shù)據(jù)。PC通信時(shí)只需安裝FTDI公司提供的官方驅(qū)動(dòng)程序，簡單的MATLAB-GUI、VB、VC編程進(jìn)行上位機(jī)軟件開發(fā)。FT2232C的外圍電路如圖3所示。

圖3　FT2232C的外圍電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用MATLAB-GUI的開飯平臺(tái)，運(yùn)用M語言編寫程序，通過FT2232C芯片與存儲(chǔ)器進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)采集。如圖4所示為上位機(jī)的人機(jī)交換界面，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、完成數(shù)據(jù)解算的功能。

圖4　上位機(jī)軟件人機(jī)界面

配置好上位機(jī)的USB通信端口，選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑后，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)裝載，系統(tǒng)將按照指定的參數(shù)采集數(shù)據(jù)，同時(shí)校驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整度以及，最終畫出侵徹過程中的數(shù)據(jù)圖，并畫出FFT后的圖形。完成數(shù)據(jù)裝載后，根據(jù)得到的FFT圖像，選擇適當(dāng)?shù)臑V波截止頻率對實(shí)測信號(hào)進(jìn)行濾波分析，并解算侵徹過程中的速度、位移信息，畫出速度、位移與時(shí)間的歷程圖。上位機(jī)的流程圖如圖5所示。

圖5　上位機(jī)軟件流程圖

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以某次炮擊實(shí)驗(yàn)中使用該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，解算彈體侵徹過程。通過上位機(jī)軟件分析采集的數(shù)據(jù)，解算得到侵徹過程結(jié)果如圖6所示。系統(tǒng)解算得到彈體侵徹過程結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中激光測量基本一致。

圖6　系統(tǒng)實(shí)測

5　結(jié)束語

基于FPGA設(shè)計(jì)的侵徹過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用MATLAB-GUI將數(shù)據(jù)采集和侵徹過程解算集成到上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z，3軸信號(hào)同時(shí)采集，不僅滿足了侵徹信號(hào)采集對系統(tǒng)高采樣率、高精度的要求，同時(shí)利用簡潔的人機(jī)交換界面完成對侵徹過程的數(shù)據(jù)處理，方便用戶操作，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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郝天琪（1992-），男，漢族，中北大學(xué)碩士研究生，主要研究方向現(xiàn)代測試技術(shù)，384047315@qq.com；張斌珍（1974-），男，山西嵐縣人，教授，主要研究方向?yàn)槲⒓{機(jī)電系統(tǒng)和武器系統(tǒng)惡劣環(huán)境下的動(dòng)態(tài)測試技術(shù)在此領(lǐng)域內(nèi)先后開展微納器件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造，微弱信號(hào)檢測與處理，以及惡劣環(huán)境下存儲(chǔ)測試?yán)碚撆c技術(shù)的研究。

The Monitoring System of CAN Bus Based on DSP and FPGA*

GAO Yang1，LI Yonghong1*，YUE Fengying2，JIN Zhikun3，MA Shaoxuan4

（1.School of Instrument and Electronics，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.School of Computer Science and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.Beijing Laborman Science Co.，Ltd，Beijing 10070，China；4.Inner Mongolia Mengdong Energy Ewenke Power Plant Hulunbeier，Inner Mongolia 021000，China）

Abstract：In order to acquire and conduct real-time monitoring CAN bus data of each node in a certain weapon sys?tem，CAN bus monitoring system based on FPGA and DSP is designed. The CAN2.0B protocol is used for transfer?ring two channels CAN bus data in this system. The experimental results indicate that this system can function prop?erly by 1 000 kbit/s and has good real-time performance，strong anti-interference ability. It can measure and ac?quire accurately the parameters of the weapon system.

Key words：real-time monitoring；data acquisition；CANbus；FPGA；DSP

doi：EEACC：721010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.034

收稿日期：2015-03-25修改日期：2015-04-20

中圖分類號(hào)：TN70

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490（2016）01-0160-04