基于PC104的電磁閥信號(hào)采集系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

魏永國(guó) 趙陽(yáng) 李波

摘要：為了實(shí)現(xiàn)某型運(yùn)載火箭電磁閥信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，提出一種數(shù)據(jù)處理與顯示一體化的便攜分布式測(cè)試方案。嵌入式PC104系統(tǒng)作為主要測(cè)試平臺(tái)，利用外設(shè)接口掛接模擬量采集模塊，實(shí)現(xiàn)了電磁閥信號(hào)的采集存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)顯示。采用分布式便攜結(jié)構(gòu)，直接與箭地接口連接，減少中間處理環(huán)節(jié)。體積小，測(cè)試方便，可靠性高，能有效檢測(cè)電磁閥動(dòng)作的模擬量信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

關(guān)鍵詞：PC104 一體化 分布測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)：TP336 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）05-0000-00

運(yùn)載火箭地面測(cè)試作為點(diǎn)火發(fā)射的必要條件，通過(guò)箭地接口檢測(cè)箭上各部件的工作狀態(tài)。電磁閥信號(hào)作為箭上姿控發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的重要檢測(cè)指標(biāo)，在系統(tǒng)測(cè)試中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電磁閥的動(dòng)作情況。采用通用的采集設(shè)備存在信號(hào)接口處理復(fù)雜，體積龐大、操作不便等問(wèn)題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，PC104系統(tǒng)作為一種新型的嵌入式計(jì)算機(jī)測(cè)控平臺(tái)，在軟件與硬件上與標(biāo)準(zhǔn)的臺(tái)式PC（PC/XT）體系結(jié)構(gòu)完全兼容。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：體積小、高可靠性、長(zhǎng)壽命、編程調(diào)試方便，并采用模塊化結(jié)構(gòu)，緊固堆疊方式安裝，用戶(hù)自定義方案余量更大。在航空航天電子系統(tǒng)中基于PC104的專(zhuān)用測(cè)控方案得到了廣泛應(yīng)用。本文利用PC104處理器外置專(zhuān)用采集板卡構(gòu)建模擬量采集系統(tǒng)，完成了某型運(yùn)載火箭電磁閥信號(hào)波形的采集處理。

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

1.1系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)箭上電磁閥信號(hào)的實(shí)時(shí)采集及存儲(chǔ)，該類(lèi)信號(hào)幅值小，最高不超過(guò)0.8V，要求采集精度高，至少不低于12bit，采樣頻率達(dá)到8KHz，能精確反映出電磁閥通斷過(guò)程，以測(cè)試箭上電磁閥的工作狀態(tài)，箭上共有多路電磁閥信號(hào)，需要考慮到通道之間需要完全隔離，被測(cè)信號(hào)與測(cè)試設(shè)備之間完全隔離等特殊要求。

本系統(tǒng)的基本框架如圖1所示，主處理器采用104-1814CLDNA系列嵌入式PCI/104結(jié)構(gòu)主板，BIOS固化在CPU板上的閃存存儲(chǔ)器中，主要功能包括：初始化系統(tǒng)硬件，設(shè)置各系統(tǒng)部件的工作狀態(tài)，調(diào)整各系統(tǒng)部件的工作參數(shù)，診斷系統(tǒng)各部件的功能并報(bào)告故障給上層用戶(hù)。

軟件系統(tǒng)提供硬件操作控制接口，引導(dǎo)操作系統(tǒng)等。選擇組合電源并利用外設(shè)接口連接硬盤(pán)、顯示、鍵盤(pán)鼠標(biāo)等設(shè)備組成一個(gè)完整的信號(hào)處理系統(tǒng)。

1.2 模擬量信號(hào)采集設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)模擬量信號(hào)的采集主要采用PC/104接口的采集卡，該板卡可以同時(shí)完成24路信號(hào)的采集，模擬量采集卡基本框架如圖2所示。

單路輸入信號(hào)通過(guò)精密低功耗儀用放大器INA128的差分輸入接口接入，做消噪處理，INA128的輸入阻抗高達(dá)1010歐姆，輸出信號(hào)進(jìn)入運(yùn)算放大器TL082，調(diào)整輸入信號(hào)范圍，滿(mǎn)足線(xiàn)性光耦HCPL7520的輸入范圍，在該范圍內(nèi)進(jìn)行正常隔離變換，由于每路信號(hào)都單獨(dú)采用一電源芯片供電，實(shí)現(xiàn)24路信號(hào)的完全相互隔離。線(xiàn)性光耦輸出將返回值傳輸至AD采集芯片ADS1178進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)使用3片AD串聯(lián)的工作方式來(lái)滿(mǎn)足對(duì)24路信號(hào)的轉(zhuǎn)換，第三片AD的DOUT腳連接到DSP的McBSP口，DSP進(jìn)行信號(hào)采集及實(shí)時(shí)跳變檢測(cè)處理。DSP芯片選用TI公司的TMS320VC5416。DSP芯片與接口PCI9030聯(lián)接，通過(guò)PC104接口與上位機(jī)進(jìn)行信號(hào)交互通訊，完成模擬量信號(hào)的采集存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)跳變檢測(cè)功能。

考慮到部分信號(hào)時(shí)序和兼容性的問(wèn)題，系統(tǒng)中增加了CPLD芯片，使用了Xilinx公司的XC9572XL。CPLD實(shí)現(xiàn)了AD和DSP之間的串口數(shù)據(jù)時(shí)序的轉(zhuǎn)換及PCI9030和DSP的HPI接口之間的時(shí)序轉(zhuǎn)換和前端電路的控制。

2 軟件設(shè)計(jì)

按照本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，主要完成多路模擬量信號(hào)的實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)和跳變監(jiān)測(cè)判定。軟件開(kāi)始執(zhí)行后，首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件配置進(jìn)行初始化，主要包括PLL配置，中斷配置，串口輸出配置等功能。然后進(jìn)入軟件初始化流程，主要對(duì)系統(tǒng)的緩沖區(qū)等進(jìn)行初始化。系統(tǒng)進(jìn)入命令字匹配流程，根據(jù)用戶(hù)給出的命令字進(jìn)入響應(yīng)的模擬信號(hào)處理流程。

模擬信號(hào)采集處理的主流程如圖3所示，當(dāng)進(jìn)入模擬信號(hào)主流程時(shí)，此時(shí)必然接收到Start命令字。Start命令字不僅撳動(dòng)模擬信號(hào)采集主流程，而且開(kāi)始進(jìn)行信號(hào)的采集與跳變檢測(cè)，是否通知驅(qū)動(dòng)讀取采集的信號(hào)或跳變信息由Det和Cap兩個(gè)命令字。僅當(dāng)Det命令字有效時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到上跳或下跳信息時(shí)才將信息寫(xiě)入跳變信息輸出緩沖區(qū)，并向驅(qū)動(dòng)發(fā)跳變發(fā)生的通知中斷。當(dāng)Cap命令字有效時(shí)，軟件會(huì)將采集的信號(hào)數(shù)據(jù)寫(xiě)入信號(hào)數(shù)據(jù)輸出緩沖區(qū)，并通知驅(qū)動(dòng)來(lái)讀取數(shù)據(jù)。用5個(gè)WORDs標(biāo)識(shí)跳變信息，其前兩個(gè)Words用于計(jì)數(shù)時(shí)間，單位0.125ms（8Khz采樣），而后三個(gè)Words存儲(chǔ)跳變信息，即每2bit代表一路跳變信息，通道編號(hào)從高Bit到低Bit依次為1路到24路，01標(biāo)識(shí)上跳，10標(biāo)識(shí)下跳。

24路信號(hào)的每次采樣值一起構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)塊，按采樣次序該數(shù)據(jù)塊依次排列。因此，若要獲取第1路數(shù)據(jù)，應(yīng)先取第1個(gè)數(shù)據(jù)，然后每隔24個(gè)Words取一個(gè)數(shù)據(jù)，從而構(gòu)成第1路采樣數(shù)據(jù)。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用本系統(tǒng)對(duì)某型火箭電磁閥信號(hào)進(jìn)行波形采集，采集到的波形如圖4所示，該波形有效的反映了箭上電磁閥門(mén)的動(dòng)作過(guò)程。

4結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了采樣頻率為8KHz，采集精度達(dá)12bit的多路模擬量信實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)功能，在系統(tǒng)應(yīng)用中，采用便攜分布式結(jié)構(gòu)與箭地接口連接，減少中間處理環(huán)節(jié)，體積小，測(cè)試方便，可靠性高，有效檢測(cè)出了電磁閥動(dòng)作的變化過(guò)程。

本設(shè)計(jì)采集模擬量信號(hào)的同時(shí)還具有跳變監(jiān)測(cè)功能，信號(hào)開(kāi)始采集之前，設(shè)定跳變閾值，當(dāng)輸入信號(hào)大于設(shè)定閾值，系統(tǒng)顯示上跳信息，反之顯示下跳信息。本系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)端判讀功能，在系統(tǒng)應(yīng)用中，本地存儲(chǔ)模擬量信號(hào)采集數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)束后，利用網(wǎng)絡(luò)接口，將本地?cái)?shù)據(jù)傳輸至后端，進(jìn)行模擬量信號(hào)的判讀處理。

參考文獻(xiàn)

[1]PC104總線(xiàn)在測(cè)試設(shè)備中的應(yīng)用[J]，測(cè)控技術(shù)，2014，33（4）：107-109.

[2]基于PC104的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（11-2）：23-26.

[3]基于PC104+總線(xiàn)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D] 2008.

[4]104-1814CLDNA Series技術(shù)手冊(cè)[Z].

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