堅固式工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計開發(fā)

王東升,李建普,劉崢

（1.北京航天測控技術有限公司成都分公司，四川 成都 610051；2.震坤行工業(yè)超市（上海）有限公司，上海 201107；3.東方電氣（德陽）電動機技術有限責任公司，四川 德陽 618000）

1 前言

針對未來工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)規(guī)模大、精度高的建設要求，開發(fā)出了一套基于Serial Rapid IO（SRIO）總線標準的內(nèi)置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過將采集設備前移至采集對象，實現(xiàn)就地采集數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)組成分布式采集系統(tǒng)，將數(shù)字信號統(tǒng)一發(fā)送至遠端的數(shù)據(jù)中心。這樣減少了現(xiàn)場信號電纜的敷設，簡化了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時提高了系統(tǒng)的精度，也便于系統(tǒng)的擴展及和其他系統(tǒng)的融合。

2 Serial Rapid IO介紹

Serial Rapid IO(SRIO)是由Motorola和Mercury等公司開發(fā)的一種高性能、 低引腳數(shù)、 基于數(shù)據(jù)包交換的高速通信架構，是為滿足未來高性能嵌入式系統(tǒng)需求而設計的一種開放式通信標準。

圖1所示為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換模式，圖2所示是SRIO數(shù)據(jù)交換模式，該模式更適合系統(tǒng)擴展和高速、大規(guī)模數(shù)據(jù)交換。

圖1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交換模式

圖2 SRIO數(shù)據(jù)交換模式

傳統(tǒng)模式中所有外部設備都直接與CPU進行總線通信，任何兩個設備之間的數(shù)據(jù)交換必須通過CPU進行中轉(zhuǎn)。

SRIO總線系統(tǒng)通過Rapid IO Switch可以實現(xiàn)多個設備的連接和數(shù)據(jù)交互，接入Switch中的任何兩個設備之間的數(shù)據(jù)交換不再通過CPU進行中轉(zhuǎn)而直接進行交換。

3 總線架構設計

根據(jù)前文所述的Rapid IO Switch的特性，對系統(tǒng)的總線架構進行如下設計，如圖3所示。

圖3 內(nèi)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總線架構示意圖

其他模塊如CPU模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、存儲模塊等通過SRIO總線與Rapid IO Switch連接進行數(shù)據(jù)交換，如圖4所示。

圖4 內(nèi)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換示意圖

采集模塊可以實現(xiàn)ICP、熱電偶、RTD、應變、電阻信號調(diào)理采集。

在本系統(tǒng)中，CPU模塊盡量不干預各個模塊之間的數(shù)據(jù)交換和處理，如采集模塊采集到的數(shù)據(jù)可以直接存到指定的存儲器中，數(shù)據(jù)處理模塊如特征值提取，直接從存儲器中讀取數(shù)據(jù)進行提取特征值，然后發(fā)給以太網(wǎng)通信模塊向上位機發(fā)送，或者通信模塊直接從存儲模塊讀取原始數(shù)據(jù)向上位機發(fā)送，這樣減少了數(shù)據(jù)存取操作的次數(shù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸、處理速度。

Rapid IO Switch可以支持16個獨立通道。并且每個獨立串行通道可以設置不同的波特率，常用的波特率有1.25G、2.5G和3.125G。不同波特率對應的數(shù)據(jù)傳輸速率如表1所示。

表1 不同波特率對應的傳輸速率

除了數(shù)據(jù)交互效率提高外，系統(tǒng)的功能也可以進行靈活配置。采集模塊采用高性能FPGA芯片，可以對內(nèi)部邏輯進行重置，使系統(tǒng)更靈活地滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集要求。

4 模塊設計

內(nèi)置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計的初衷是實現(xiàn)能夠適應工業(yè)現(xiàn)場復雜、惡劣環(huán)境的就地采集，同時還要滿足現(xiàn)場各種狹隘空間的安裝要求。因此模塊必須能夠適應高溫、低溫、強震、潮濕、粉塵、腐蝕的環(huán)境，同時外形小巧、堅固。

4.1 小巧堅固的外殼設計

外殼的設計同時兼顧考慮散熱、安裝、防腐等問題。外殼的設計如圖5所示。

圖5 外殼設計實物圖

圖6 單個模塊的長度

單個模塊尺寸為76mm x 50mm x 10mm（長x寬x高）。如圖6、圖7、圖8所示。

圖7 單個模塊的寬度

圖 8單個模塊的高度

此設計是在對工業(yè)現(xiàn)場使用環(huán)境進行充分調(diào)研的基礎上進行的。兼顧了電磁干擾、高溫、潮濕、油霧、噪聲、振動、等惡劣環(huán)境及安裝空間狹窄的要求。

4.2 模塊的擴展設計

本系統(tǒng)設計的一個重要原則就是便于擴展，因此設計模塊時間需要考慮擴展模塊的安裝、拆卸便捷性。兼顧前述的Rapid IO Switch特性及模塊外殼，設計模塊采用堆疊式安裝擴展，如圖9所示。

圖9 堆疊式模塊擴展

系統(tǒng)根據(jù)采集需要模塊的種類和數(shù)量進行直接插接堆疊，如果模塊數(shù)量超過Rapid IO Switch通道數(shù)量，需要再插入一個Rapid IO Switch模塊或者組成分布式系統(tǒng)，如圖10所示。

圖10 分布式采集系統(tǒng)拓撲圖

分布式系統(tǒng)可以通過工業(yè)以太網(wǎng)組成局域網(wǎng)進行通信，避免了一個采集系統(tǒng)無限擴展，同時便于安裝在各個采集對象內(nèi)部或者附近，最大限度地縮短模擬量信號傳輸距離。

4.3 導冷防水及抗震設計

設備的環(huán)境適應性主要體現(xiàn)在適應高溫、潮濕、振動的環(huán)境，因此在設計模塊時特別進行了這些方面的考慮，除了外殼外，PCB的設計制作、模塊組裝也綜合考慮了這些要求，PCB安裝后對模塊進行密封灌膠，如圖11所示。

圖11 模塊注膠灌封設計

4.4 抗電磁干擾設計

抗電磁干擾也是設備環(huán)境適應性的一個重要方面，在模塊設計中也充分考慮了電磁干擾的要求，因此供電采用隔離措施，如圖12所示。

圖12 抗電磁干擾設計

電源模塊采取了以下措施保證抗干擾能力：

（1）電源輸入隔離；

（2）浪涌電流抑制；

（3）反極性保護；

（4）模塊與外殼絕緣設計；

（5）系統(tǒng)外殼接地端子設計；

（6）具備Shut-down模式。

5 應用實例

通過在國產(chǎn)軍用飛機上實測，驗證了內(nèi)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的環(huán)境適應性及穩(wěn)定性，在風機上部署安裝示意圖，如圖13所示，設備分別安裝在機翼的不同位置，小巧堅固的外殼能夠適應機翼狹小的空間，通過1553B總線組成分布式系統(tǒng)。

圖13 在國產(chǎn)軍用飛機上實測

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)機電、航電、飛控、動力等區(qū)域健康管理數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、故障診斷、地面測試。主要功能如下：

千兆以太網(wǎng)通訊；

ARINC 429通訊；

RS422通訊；

1553B通訊；

TTFC通訊；

USB通訊；

AFDX通訊；

1394B通訊；

每區(qū)域100GB存儲；

支持板載算法處理。

系統(tǒng)拓撲如圖14所示。

圖14 國產(chǎn)飛機性能測試系統(tǒng)拓撲圖

本設備小巧的外形尺寸、堅固的外殼更適合安裝在飛機內(nèi)部狹隘空間。由于采集設備部署在傳感器附近就縮短了模擬量信號傳輸距離，通過數(shù)字量信號長距離傳輸，提高了系統(tǒng)抗干擾能力，保證了信號的質(zhì)量，提高了系統(tǒng)測量精度。

6 結語

（1）本文所述內(nèi)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用SRIO總線、小巧堅固的外殼、內(nèi)部注灌封膠的組裝、堆疊式的擴展方式滿足了惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境及未來需要大規(guī)模分布式就地采集的要求。

（2）系統(tǒng)的適應性強，除在飛機上應用外，還可以在能源系統(tǒng)應用，如風電葉片應力應變監(jiān)測，采集設備安裝在葉片內(nèi)部狹小的空間內(nèi)，進行就地采集，減少了葉片內(nèi)部信號線的敷設，同時模塊優(yōu)秀的環(huán)境適應能力可以適應葉片低溫、強振動的環(huán)境。

（3）在實際測試中驗證了該系統(tǒng)的性能先進性，值得在工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中推廣。