高速采集及存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試

喬鳳普， 蘭治軍， 李怡麒， 潘洪運(yùn)

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

隨著裝甲車信息化程度的提高，越來(lái)越多的傳感器遍布在車上的各個(gè)角落，用于判斷故障和預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障，以便盡快進(jìn)行故障定位，進(jìn)而解決故障或提前發(fā)現(xiàn)隱患.目前，我國(guó)裝甲車輛上一般都配備了信號(hào)采集盒和總線信息記錄裝置，用來(lái)采集和記錄車輛狀態(tài)信息，但該信號(hào)采集盒采樣頻率較低，對(duì)于間斷發(fā)生的異常故障，存在無(wú)法采集的狀況；同樣，總線信息記錄裝置存在記錄數(shù)據(jù)緩慢、并且存儲(chǔ)空間受限的現(xiàn)狀[1].因此，本研究設(shè)計(jì)了一套基于CPU+FPGA嵌入式核心平臺(tái)的高速數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)裝置，并融合了目前主流的信息處理和實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，旨在解決上述信號(hào)采集速率低、記錄數(shù)據(jù)慢和存儲(chǔ)空間受限等問(wèn)題.

1 硬件原理與工作原理

作為經(jīng)常運(yùn)行在惡劣環(huán)境下的裝甲車來(lái)說(shuō)，各種車載重要部件性能參數(shù)決定了其運(yùn)行狀態(tài)的好壞，要實(shí)現(xiàn)其車載狀態(tài)參數(shù)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)處理和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]，除了要實(shí)現(xiàn)壓力、電流、溫度的常規(guī)低速緩變信號(hào)采集外，還需要對(duì)關(guān)鍵部位的振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)以及電路的尖峰浪涌信號(hào)進(jìn)行高速采集，從采集的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)對(duì)整車、分系統(tǒng)和部件有用的信息，進(jìn)而提高整車及部件的可靠性.這些信號(hào)采集需要5MSPS的采樣率、256MPSa的存儲(chǔ)深度、不高于±0.1%FS的采集精度，另外，由于采集的數(shù)據(jù)類型復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，必須通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，采集速率低和存儲(chǔ)空間小的普通數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)產(chǎn)品不能滿足其實(shí)際需要.

1.1 硬件原理

設(shè)備硬件原理框圖如圖1所示，硬件由CPU、FPGA、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、NorFLASH、DDR2、硬盤(SATA II接口)、板載溫度傳感器電路、板載振動(dòng)傳感器電路、振動(dòng)沖擊信號(hào)調(diào)理電路、噪聲信號(hào)調(diào)理電路、浪涌信號(hào)調(diào)理電路、PT1000信號(hào)調(diào)理電路、熱電偶信號(hào)調(diào)理電路、4～20 mA電流信號(hào)調(diào)理電路、0～±10 V電壓信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)選通電路、A/D采集電路、以太網(wǎng)通訊電路、USB通訊電路、CAN通訊電路、FlexRay通訊電路、RS485通訊電路、電源電路、恒流源電路和JTAG電路組成.

圖1 設(shè)備硬件原理框圖

1.2 工作原理

設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和軟件升級(jí)功能，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)具有“在線”和“離線”兩種工作模式，其工作原理如下所述.

1)在線模式.

設(shè)備輸出激勵(lì)信號(hào)為外部信號(hào)采集傳感器提供工作電壓，傳感器將外部環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入設(shè)備，信號(hào)經(jīng)調(diào)理選擇后供A/D采集.A/D轉(zhuǎn)換器通過(guò)SPI總線將采集到的數(shù)據(jù)傳送給FPGA，F(xiàn)PGA將接收到的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行觸發(fā)處理等一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理工作.高速采集時(shí)，采集數(shù)據(jù)先存入DDR2中，達(dá)到存儲(chǔ)深度后，CPU將數(shù)據(jù)從DDR2讀出，并利用以太網(wǎng)將采集數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，供上位機(jī)監(jiān)測(cè)分析，同時(shí)通過(guò)DMA通道將采集數(shù)據(jù)和日歷時(shí)間存入硬盤；低速采集時(shí)，采集數(shù)據(jù)不經(jīng)過(guò)DDR2存儲(chǔ)器，其它與高速采集一樣.同時(shí)CPU可通過(guò)CAN、FlexRay總線與車載其它設(shè)備進(jìn)行信息交互.工作流程如圖2所示.

圖2 在線模式工作流程圖

2)離線模式.

信號(hào)采集存儲(chǔ)方式均與在線模式相同，不需要通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳采集數(shù)據(jù)到上位機(jī)，上位機(jī)可通過(guò)以太網(wǎng)或USB離線下載硬盤中的數(shù)據(jù)，便于采集數(shù)據(jù)的分析和處理.同時(shí)CPU可通過(guò)CAN、FlexRay等總線與車載其它設(shè)備進(jìn)行信息交互.工作流程如圖3所示.

圖3 離線模式工作原理圖

2 主要功能電路設(shè)計(jì)

本節(jié)主要對(duì)上文提到的硬件組成中的CPU、FPGA性能參數(shù)及部分高速信號(hào)功能電路做簡(jiǎn)單介紹.時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、4～20 mA信號(hào)調(diào)理電路、A/D采集電路、PT1000信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)選通電路、恒流源電路，以太網(wǎng)、USB、CAN、RS485、FLEXRAY通信電路等功能電路，限于篇幅，不再一一贅述.

2.1 CPU處理器

CPU處理器實(shí)現(xiàn)Nor FLASH讀寫、DDR2讀寫、硬盤讀寫、FPGA信息交互、RTC時(shí)鐘、以太網(wǎng)通訊、USB通訊、RS485通訊和JTAG調(diào)試下載功能.設(shè)計(jì)時(shí)，選用Freescale公司的MPC8315E處理器作為設(shè)備的CPU，其功能如圖4所示.

圖4 CPU模塊圖

從CPU特性可以看出，CPU具有的本地總線可實(shí)現(xiàn)Nor FLASH讀寫和FPGA信息交互.DDR2接口可實(shí)現(xiàn)DDR2讀寫.自帶的以太網(wǎng)、USB控制器可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和USB通訊功能.UART可實(shí)現(xiàn)RS485通訊功能.SATA接口可實(shí)現(xiàn)硬盤的讀寫.JTAG接口可實(shí)現(xiàn)JTAG調(diào)試下載功能.I2C總線外擴(kuò)RTC時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)日歷時(shí)鐘功能.MPC8315E控制器滿足設(shè)計(jì)需要.

2.2 FPGA

FPGA需實(shí)現(xiàn)與CPU 16位并行總線通訊、5路A/D SPI數(shù)據(jù)采集、DDR2擴(kuò)展、CAN控制、FlexRay控制和恒流源輸出控制功能，I/O口共需約230個(gè).設(shè)計(jì)時(shí)，選用Xilinx公司的Spartan-3A系列XC3S1400AN芯片，其特性有：502個(gè)I/O引腳、622 Mb/s I/O速率.自帶DDR2接口、自帶16Mb片上FLASH、具有25 344個(gè)邏輯單元、工作溫度范圍為-40～+125 ℃.根據(jù)其特性得出，XC3S1400AN滿足設(shè)計(jì)需要.

2.3 硬盤

硬盤作為設(shè)備存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)使用，為了滿足特種車輛存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，選型主要考慮其工作電壓、接口方式、存儲(chǔ)容量、存取速率、工作溫度范圍等參數(shù)，本設(shè)計(jì)選用源科256G存儲(chǔ)硬盤.其特性有：+3.3 V供電、支持SATA接口(SATA II協(xié)議)、140 MB/s讀寫速度、工作溫度范圍為-55～+85 ℃.滿足設(shè)計(jì)需要.

2.4 振動(dòng)沖擊信號(hào)調(diào)理電路

振動(dòng)沖擊信號(hào)調(diào)理電路用于對(duì)振動(dòng)和沖擊傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使其符合于A/D采集.本設(shè)備中A/D采集電壓范圍為0～+4.096 V，其主要包括信號(hào)保護(hù)、信號(hào)濾波、信號(hào)選擇和信號(hào)放大電路.

傳感器由設(shè)備恒流源電路供電，其輸出電壓范圍為0～+10 V.調(diào)理電路先接跟隨器進(jìn)行阻抗變換，再通過(guò)放大電路將信號(hào)衰減為0～+2 V，增加+2 V偏置，使信號(hào)輸出為0～+4 V，供A/D采集.

放大器芯片選用型號(hào)為7FOP27的低噪聲精密運(yùn)算放大器芯片，其特性有：最大電源電壓為±22 V、壓擺率2.8 V/us、8 MHz增益帶寬、共模抑制比126 dB、1.8×106開(kāi)環(huán)增益、工作溫度范圍為-55～+125 ℃.

在信號(hào)保護(hù)后端使用雙刀雙擲繼電器，繼電器一端接輸入信號(hào)，另一端通過(guò)10 kΩ電阻接到+2 V參考電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)理電路自檢測(cè)功能.繼電器選用TE公司的IM01GR，其工作溫度范圍為-40～+85 ℃.電路圖如圖5所示.

圖5 振動(dòng)沖擊信號(hào)調(diào)理電路圖

2.5 噪聲信號(hào)調(diào)理電路

噪聲傳感器由設(shè)備恒流源電路供電，其輸出電壓范圍為0～+8 V.調(diào)理電路先接跟隨器進(jìn)行阻抗變換，再通過(guò)放大電路將信號(hào)衰減為0～+2 V信號(hào)，再增加+2 V偏置，使信號(hào)輸出為+2～+4 V，供A/D采集.

電路圖如圖6所示.

圖6 噪聲信號(hào)調(diào)理電路圖

2.6 浪涌信號(hào)調(diào)理電路

調(diào)理后的信號(hào)先經(jīng)過(guò)信號(hào)選通再送給A/D采集，浪涌信號(hào)最高為+250 V.調(diào)理電路先經(jīng)過(guò)精密電阻進(jìn)行分壓降為+2 V，經(jīng)過(guò)跟隨器進(jìn)行阻抗變換且增加+2 V偏置，使信號(hào)輸出為+2～+4 V，再送入信號(hào)選通電路.

電路圖如圖7所示.

圖7 浪涌信號(hào)調(diào)理電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

在上文設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)之上，開(kāi)發(fā)了高速采集和存儲(chǔ)設(shè)備端軟件和上位機(jī)軟件，二者之間通過(guò)TCP/IP進(jìn)行通信.高速采集與存儲(chǔ)設(shè)備軟件包括BootLoader、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件3部分.BootLoader實(shí)現(xiàn)相應(yīng)外設(shè)的初始化和引導(dǎo)加載功能，操作系統(tǒng)采用VxWorks操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集和傳輸由應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn).上位機(jī)軟件主要包含控制設(shè)備端軟件、對(duì)20個(gè)通道數(shù)據(jù)內(nèi)容的分析和呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)的在線和離線傳輸、CAN/RS485/FlexRay的接口測(cè)試、16路恒流源輸出控制和板載振動(dòng)、溫度數(shù)據(jù)顯示,等等.軟件構(gòu)架如圖8所示.采集數(shù)據(jù)處理流程如圖9所示.

圖8 軟件架構(gòu)圖

圖9 采集數(shù)據(jù)處理流程

4 測(cè)試與分析

4.1 測(cè)試

高速采集和存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)FPGA將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到SATA硬盤中，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行配置，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和呈現(xiàn).在樣車上，通過(guò)對(duì)各個(gè)通道的采集功能和設(shè)備的存儲(chǔ)功能進(jìn)行測(cè)試，部分通道的測(cè)試波形見(jiàn)圖10和圖11.圖10中，橫坐標(biāo)為可選的采樣點(diǎn)長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)采集的電壓值.并且，均可根據(jù)系數(shù)將橫坐標(biāo)切換為時(shí)間軸、縱坐標(biāo)切換為實(shí)際加速度值.圖11中，橫坐標(biāo)為可選的采樣點(diǎn)長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)采集的電壓值.并且，均可根據(jù)系數(shù)將橫坐標(biāo)切換為時(shí)間軸、縱坐標(biāo)切換為噪聲信號(hào)大小.

通過(guò)分析.發(fā)現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性較好，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度較快，能夠進(jìn)行后續(xù)分析，初步達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

圖10 振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試

圖11 噪聲試驗(yàn)測(cè)試

4.2 分析與對(duì)比

目前，樣車上的總線記錄裝置一般為每秒記錄一次總線數(shù)據(jù)，記錄結(jié)果見(jiàn)表1.通過(guò)對(duì)比高速采集和存儲(chǔ)設(shè)備與樣車總線記錄裝置的功能，高速采集和存儲(chǔ)設(shè)備有如下優(yōu)勢(shì)：

1)在存儲(chǔ)空間上，高速采集和存儲(chǔ)設(shè)備有256G的存儲(chǔ)空間，遠(yuǎn)大于目前總線記錄裝置.

2)在設(shè)備功能上，高速采集和存儲(chǔ)設(shè)備既可以記錄總線數(shù)據(jù)，還具備8路高速采集通道以及12路中低速采集通道，高速采集時(shí)采樣率可達(dá)5MSPS，可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛關(guān)鍵部位的健康狀態(tài)進(jìn)行采集和監(jiān)測(cè)；而目前總線記錄裝置不具備該功能.

3)在通信方式上，高速采集和存儲(chǔ)設(shè)備支持CAN、Flexray、USB以及RS485通訊方式，目前總線記錄裝置通信方式比較單一.

4)在數(shù)據(jù)處理上，高速采集和存儲(chǔ)設(shè)備支持在線實(shí)時(shí)繪制監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波形，并支持離線數(shù)據(jù)處理；而目前總線記錄裝置不具備以上功能.

表1 目前樣車上總線記錄裝置記錄的數(shù)據(jù)片段

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一套基于CPU+FPGA嵌入式核心平臺(tái)的高速數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)裝置，樣車測(cè)試結(jié)果表明，該裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝甲車輛的測(cè)試部位進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，較之前的低速采集設(shè)備，具備更高的采樣率，CPU具有更快的處理速度，存儲(chǔ)空間也有了量的飛躍；同時(shí)可從采集和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)更有用的信息，能實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵部位的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè).但是，上位機(jī)軟件需要進(jìn)一步完善和增添更多的功能，比如，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)診斷與預(yù)判、根據(jù)車輛的狀況產(chǎn)生健康狀態(tài)評(píng)估等新一代車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)模式要求.

[1] 黃鴻強(qiáng).車載在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[2] 萬(wàn) 軍.典型裝甲車輛平臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫(kù)管理[J].裝備環(huán)境工程，2010，7(6)：234-236.