分布式微型數據採集系統的製作方法

2023-10-09 16:12:24

本發明涉及航空航天試驗分析、汽車安全測試、爆炸測試、飛行器測試領域的數據採集系統，具體涉及一種分布式微型數據採集系統。

背景技術：

在航空航天試驗分析、汽車安全測試、爆炸測試、振動衝擊測試、飛行器測試中，主要依靠數據採集系統獲取裝備系統各部件的工作參數和環境數據，為評定裝備的性能及故障定位提供依據。通過在裝備研製、生產以及日常維護中對振動、衝擊、壓力、應變和溫度等數據的採集和分析，能夠為裝備測試與評估提供直觀、精確的數據。數據採集系統的可靠性是武器設備試驗成敗的關鍵因素。當前在目前的裝備測試中需要測試的指標很多，使用多種儀器搭建的綜合測試系統所用儀器種類繁多、體積大，安裝不便，難以提高測試效率，隨著電子技術的不斷發展和日益成熟，國內的數據採集系統正在朝著微型化、高精度、高採樣率、大容量、網絡化的方向快速發展。對於大型裝備系統的測試，往往需要更加全面、多方位的測試數據來精確描述被測系統，因此需要對數據採集通道數量進行擴展。

技術實現要素：

本發明克服現有技術存在的不足，所要解決的技術問題為：提供一種分布式微型數據採集系統，以實現多通道的分布式數據採集和上傳。

為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：一種分布式微型數據採集系統，包括上位機、分布式採集陣列管理模塊和多個數據採集堆疊，所述分布式陣列管理模塊與所述上位機連接，所述分布式陣列管理模塊上設置有多個鏈路接口，多個採集鏈路分別通過所述鏈路接口與所述分布式採集陣列管理模塊連接，每個所述採集鏈路由多個所述數據採集堆疊通過級聯總線連接而成，同一採集鏈路中，各個數據採集堆疊的級聯模式被配置為菊花鏈連接方式；每個所述數據採集堆疊均包括控制模塊和多個傳感器採集模塊，所述多個傳感器採集模塊依次堆疊連接後與所述控制模塊連接，每個傳感器採集模塊包括多路獨立的數據採集通道，所述傳感器採集模塊通過m-lvds通信總線與所述控制模塊連接；所述控制模塊上設置有2個級聯埠，所述2個級聯埠用於將所述控制模塊與上下級數據採集堆疊或分布式採集陣列管理模塊連接，所述控制模塊用於對所述多個傳感器採集模塊的各個數據採集通道實現管理、發送控制指令、接收採集數據、存儲數據及給所述傳感器採集模塊供電。

所述分布式採集陣列管理模塊包括通信接口模塊、觸發管理器、控制命令發生器、數據鏈路選擇器、與多個鏈路接口一一對應連接的多個數據接收器、數據緩存控制器、數據緩存模塊；所述分布式採集陣列管理模塊上還設置有乙太網接口電路、usb接口電路、和觸發接口電路；所述通信接口模塊通過乙太網接口電路或usb接口電路與上位機連接，所述通信接口模塊與控制命令發生器、數據緩存控制器連接；所述數據鏈路選擇器與控制命令發生器、數據緩存控制器、以及多個數據接收器連接；所述數據緩存控制器與所述數據緩存模塊連接；所述控制命令發生器通過觸發管理器與觸發接口電路連接；所述通信接口模塊用於接收並解析上位機命令，並發送至控制命令發生器，控制命令發生器將上位機命令中的採集指令寫入寄存器，並通過數據鏈路選擇器將採集指令發送到對應的鏈路接口，實現對對應採集鏈路中的採集堆疊的控制；從鏈路接口傳輸的採集堆疊中的數據，通過數據接收器、數據鏈路選擇器後，由所述數據緩存控制器寫入數據緩存模塊中進行緩存，並通過所述通信接口模塊上傳至上位機。

所述分布式陣列管理模塊上設置有4個鏈路接口，4個採集鏈路分別通過所述鏈路接口與所述分布式採集陣列管理模塊連接，每個所述採集鏈路由3述數據採集堆疊通過級聯總線連接；每個所述數據採集堆疊包括10個傳感器採集模塊，每個傳感器採集模塊上設置有3個數據採集通道。

所述控制模塊包括m-lvds總線接口電路，觸發接口電路、級聯接口電路、電壓轉換電路、數據緩存單元、flash存儲單元以及fpga基礎模塊，所述電壓轉換電路用於給所述控制模塊以及傳感器採集模塊供電，所述fpga基礎模塊通過m-lvds總線接口電路與所述傳感器採集模塊連接，通過觸發接口電路與外部觸發器連接，通過級聯接口電路與上下級數據採集堆疊或分布式採集陣列管理模塊連接，所述fpga基礎模塊用於接收外部觸發器發送的觸發信號和上位機發送的數據接收命令，以及根據所述出發信號和數據接收命令接收所述傳感器採集模塊採集的數據並進行數據編幀後發送到所述數據緩存單元和flash存儲單元進行存儲。

所述fpga基礎模塊包括m-lvds收發器通信管理單元、外部觸發管理單元、usb通信管理單元、數據緩存控制器，數據存儲控制器、控制命令發生器和仲裁單元，所述外部觸發管理單元與觸發接口電路和控制命令發生器連接，用於將觸發信號傳輸到控制命令發生器，所述級聯管理單元與級聯接口電路和控制命令發生器連接，用於將上位機傳輸的數據接收命令進行解析後發送到控制命令發生器，控制命令發生器與m-lvds收發器通信管理單元連接，用於根據觸發信號和數據接收命令生成數據採集命令後通過m-lvds收發器通信管理單元發送到傳感器採集模塊；m-lvds收發器通信管理單元與數據緩存控制器和數據存儲控制器連接，用於將傳感器採集模塊採集的數據進行數據編幀後發送到數據緩存單元、flash存儲單元存儲，所述仲裁單元與所述數據緩存控制器和usb通信管理單元連接，用於將數據緩存單元和flash存儲單元存儲的數據通過級聯接口發送至上位機。

所述傳感器採集模塊包括接口模塊、程控放大模塊、程控濾波模塊、ad轉換模塊、數據緩存模塊、m-lvds接口晶片、fpga核心控制器和電壓轉換模塊，所述接口模塊與傳感器連接，用於給所述傳感器供電以及接收傳感器採集信號，傳感器採集的信號經所述接口模塊、程控放大模塊、程控濾波模塊後、ad轉換模塊後傳輸到所述fpga核心控制器，所述fpga核心控制器通過fifo將數據緩存到所述數據緩存模塊，並在收到數據請求指令後，從fifo模塊中讀取數據並通過m-lvds接口晶片傳輸給控制模塊；所述fpga核心控制器用於判斷各個採集通道的狀態，並通過m-lvds總線發送給控制模塊，所述fpga核心控制器還用於接收所述控制模塊傳輸的配置參數和採集指令，以及對所述程控放大模塊、程控濾波模塊後、ad轉換模塊的數據處理過程進行控制。

所述傳感器採集模塊分別為iepe傳感器採集模塊或橋式傳感器採集模塊；當所述傳感器採集模塊為iepe傳感器採集模塊時，所述接口模塊為iepe接口模塊，所述iepe接口模塊與iepe傳感器連接，用於給iepe傳感器提供恆流，以及接收iepe傳感器的採集信號；當所述傳感器採集模塊為橋式傳感器採集模塊時，所述接口模塊為橋式傳感器接口模塊，所述橋式傳感器接口模塊與橋式傳感器連接，用於給橋式傳感器提供電壓激勵，以及接收橋式傳感器的採集信號。

所述程控放大模塊包括儀表放大器ad8226和可變增益放大器ad603，所述程控濾波模塊包括四階巴特沃斯濾波電路和基於max264的程控濾波器；所述ad轉換模塊型號為ad7693。

每個所述傳感器採集模塊上設置有3個傳感器接口，每個所述傳感器採集模塊包括3個ad轉換模塊，形成3路獨立的採集通道，所述數據採集系統包括10個傳感器採集模塊。

本發明與現有技術相比具有以下有益效果：

1、本發明的分布式微型數據採集系統採用分布式、微型化設計思想，通過構建菊花鏈式數據傳輸方式，有效簡化了各個數據採集堆疊之間的物理連接方式，具有通道多，可擴展性強，使用靈活，可靠性高等特點，單個採集堆疊最多就可擴展至30個採集通道，單通道採樣率最高達500ksa/s，整個分布式微型數據採集系統最多可擴展至360個採集通道；此外，每個數據採集堆疊由一個控制模塊外加多個數據採集模塊組成，具有獨立的數據採集和管理能力，通過設計合理的堆疊式結構，在保證功能的同時還能提高單個採集堆疊的抗衝擊能力（可以提高到1000g）；

2、本發明適用於在各種惡劣環境下對振動、衝擊、壓力、應變和溫度等數據的採集，通過構建分布式的數據採集堆疊極大地擴展數據採集系統的通道數量，可應用於惡劣環境中對裝備系統的檢驗及性能評估；

3、本發明的分布式微型數據採集系統設置有千兆乙太網接口和usb3.0接口，可以分別與本地上位機和遠程上位機連接，從而進行數據的波形顯示以及分析處理等；

4、本發明的分布式微型數據採集系統能為航空、航天及地面設備系統提供可靠快速的測試手段，可以有效節省人力和物力，為優化和完善裝備功能奠定良好的控制。

附圖說明

圖1為本發明實施例提出的一種分布式微型數據採集系統結構框圖；

圖2為本發明實施例中單個數據採集堆疊的內部結構示意圖；

圖3為本發明實施例中數據採集堆疊的外形結構示意圖；

圖4為本發明實施例中單菊花鏈連接方式結構框圖；

圖5為本發明實施例中分布式採集陣列管理模塊的結構框圖；

圖6為本發明實施例中單個數據採集堆疊的控制模塊的結構示意圖；

圖7為本發明實施例中單個數據採集堆疊的傳感器採集模塊的結構示意圖；

圖8為本發明實施例中整機軟體框圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例；基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

如圖1~圖5所示，本發明實施例中提出的一種分布式微型數據採集系統，如圖1所示，該分布式微型數據採集系統包括上位機1、分布式採集陣列管理模塊2和12個數據採集堆疊3，所述分布式陣列管理模塊2與所述上位機1連接，所述分布式陣列管理模塊2上設置有4鏈路接口，多個採集鏈路分別通過所述鏈路接口與所述分布式採集陣列管理模塊連接，每個所述採集鏈路由3個所述數據採集堆疊通過級聯總線連接而成，同一採集鏈路中，各個數據採集堆疊的級聯模式被配置為菊花鏈連接方式。

如圖2和圖3所示，每個所述數據採集堆疊3均包括控制模塊31和多個傳感器採集模塊32，所述數據採集堆疊的控制模塊31上設置有2個級聯埠33，所述2個級聯埠33用於將所述控制模塊31與上下級數據採集堆疊3或分布式採集陣列管理模塊2連接；多個傳感器採集模塊32依次堆疊連接後與控制模塊31連接，每個傳感器採集模塊32上設置有3個傳感器接入埠34，每個傳感器採集模塊內部包括3路獨立的數據採集通道，所述傳感器採集模塊32通過m-lvds通信總線與所述控制模塊連接；所述控制模塊用於對所述多個傳感器採集模塊的各個數據採集通道實現管理、發送控制指令、接收採集數據、存儲數據及給所述傳感器採集模塊供電；傳感器採集模塊的數量可以根據需要設置，每個傳感器採集模塊上均設置有傳感器接口，用於與傳感器連接。

如圖3所示，本發明中的數據採集堆疊中，，所述控制模塊和多個傳感器採集模塊分別通過灌封材料封裝後，分別單獨設置在緩衝殼體內；多個所述傳感器採集模塊依次堆疊連接後與所述控制模塊堆疊連接，設置所述多個傳感器採集模塊的緩衝殼體之間的接觸表面上均設置有m-lvds通信接口和電源接口，則在控制模塊和傳感器採集模塊在堆疊的同時，也能實現電路連接和配置。

則本發明的分布式微型數據採集系統可以擴展至360個數據採集通道。此外，本發明的分布式微型數據採集系統中，分布式採集陣列管理模塊上的鏈路接口和數據採集堆疊的數量也可以為更少或者更多，每個數據採集堆疊中的傳感器採集模塊的數量也可以更少或是更多，具體數量可以根據要採集的數據通道進行設置。

當上位機發送指令時，由通信接口管理模塊接收並解析上位機指令，控制命令發生器將採集指令寫入相關寄存器組，並通過數據鏈路選擇器將採集指令發送到具體的鏈路接口，實現對採集堆疊的控制；使用分布式採集陣列管理模塊逐一讀取採集堆疊中的數據時，採用ddr2sdram對數據進行緩存，並通過通信接口管理模塊上傳到計算機。本實施例中，通過分布式採集陣列管理模塊將多個採集堆疊採用菊花鏈的方式級聯在一起，形成分布式數據採集系統，該模塊可以構建4條菊花鏈式數據採集鏈路，每條採集鏈路可掛載3個採集堆疊，能有效擴展採集系統的通道數量。

如圖4所示，為單個採集鏈路中的數據採集堆疊的菊花連接方式結構框圖。本發明設計採用菊花鏈連接方式對數據採集陣列中各個堆疊進行統一管理和集中控制。為此在微型數據採集系統中設計了級聯埠，將採集系統的級聯模式配置為菊花鏈連接方式，埠內部包括數據總線、控制總線、狀態總線和供電信號等。在單菊花鏈式連接方式中，鏈路上的多級設備組成一個閉環網絡，包括一個主設備和多級從設備，相鄰的從設備間具有數據或指令交互功能，在傳輸系統命令時，採集系統1作為菊花鏈的近端通過級聯埠i接收上位機的控制指令、外部觸發信號以及供電輸入信號，通過級聯埠ii依次輸出給菊花鏈遠端的採集堆疊；在讀取數據時，採集系統3作為菊花鏈的遠端將數據通過級聯總線逐級上傳到近端的採集堆疊，由此實現對單條菊花鏈的集中控制。

如圖5所示，所述分布式採集陣列管理模塊2包括通信接口模塊、觸發管理器、控制命令發生器、數據鏈路選擇器、與4個鏈路接口一一對應連接的4個數據接收器、數據緩存控制器（ddr2控制器）、數據緩存模塊（ddr2sdram）；所述分布式採集陣列管理模塊上還設置有乙太網接口電路、usb接口電路、和觸發接口電路；所述通信接口模塊通過乙太網接口電路或usb接口電路與上位機連接，所述通信接口模塊與控制命令發生器、數據緩存控制器連接；所述數據鏈路選擇器與控制命令發生器、數據緩存控制器、以及多個數據接收器連接；所述數據緩存控制器與所述數據緩存模塊連接；所述控制命令發生器通過觸發管理器與觸發接口電路連接；所述通信接口模塊用於接收並解析上位機命令，並發送至控制命令發生器，控制命令發生器將上位機命令中的採集指令寫入寄存器，並通過數據鏈路選擇器將採集指令發送到對應的鏈路接口，實現對對應採集鏈路中的採集堆疊的控制；從鏈路接口傳輸的採集堆疊中的數據，通過數據接收器、數據鏈路選擇器後，由所述數據緩存控制器寫入數據緩存模塊中進行緩存，並通過所述通信接口模塊上傳至上位機。

進一步地，如圖6所示，所述數據採集堆疊中的控制模塊包括m-lvds總線接口電路，觸發接口電路、級聯接口電路、電壓轉換電路、數據緩存單元、flash存儲單元以及fpga基礎模塊，所述電壓轉換電路用於給所述控制模塊以及傳感器採集模塊供電，所述fpga基礎模塊通過m-lvds總線接口電路與所述傳感器採集模塊連接，通過觸發接口電路與外部觸發器連接，通過級聯接口電路與上下級數據採集堆疊或分布式採集陣列管理模塊連接，所述fpga基礎模塊用於接收外部觸發器發送的觸發信號和上位機發送的數據接收命令，以及根據所述出發信號和數據接收命令接收所述傳感器採集模塊採集的數據並進行數據編幀後發送到所述數據緩存單元和flash存儲單元進行存儲。

進一步地，如圖6所示，所述fpga基礎模塊包括m-lvds收發器通信管理單元、外部觸發管理單元、級聯管理單元、數據緩存控制器，數據存儲控制器、控制命令發生器和仲裁單元，所述外部觸發管理單元與觸發接口電路和控制命令發生器連接，用於將觸發信號傳輸到控制命令發生器，所述級聯管理單元與級聯接口電路和控制命令發生器連接，用於將上位機傳輸的數據接收命令進行解析後發送到控制命令發生器，控制命令發生器與m-lvds收發器通信管理單元連接，用於根據觸發信號和數據接收命令生成數據採集命令後通過m-lvds收發器通信管理單元發送到傳感器採集模塊；m-lvds收發器通信管理單元與數據緩存控制器和數據存儲控制器連接，用於將傳感器採集模塊採集的數據進行數據編幀後發送到數據緩存單元、flash存儲單元存儲，所述仲裁單元與所述數據緩存控制器和usb通信管理單元連接，用於將數據緩存單元和flash存儲單元存儲的數據通過usb通信管理單元發送至上位機。

進一步地，如圖7所示，所述數據採集堆疊中的傳感器採集模塊包括接口模塊、程控放大模塊、程控濾波模塊、ad轉換模塊、數據緩存模塊、m-lvds接口晶片、fpga核心控制器和電壓轉換模塊，所述接口模塊與傳感器連接，用於給所述傳感器供電以及接收傳感器採集信號，傳感器採集的信號經所述接口模塊、程控放大模塊、程控濾波模塊後、ad轉換模塊後傳輸到所述fpga核心控制器，所述fpga核心控制器通過fifo將數據緩存到所述數據緩存模塊，並在收到數據請求指令後，從fifo模塊中讀取數據並通過m-lvds接口晶片傳輸給控制模塊；所述fpga核心控制器用於判斷各個採集通道的狀態，並通過m-lvds總線發送給控制模塊，所述fpga核心控制器還用於接收所述控制模塊傳輸的配置參數和採集指令，以及對所述程控放大模塊、程控濾波模塊後、ad轉換模塊的數據處理過程進行控制。

進一步地，所述傳感器採集模塊分別為iepe傳感器採集模塊或橋式傳感器採集模塊；當所述傳感器採集模塊為iepe傳感器採集模塊時，所述接口模塊為iepe接口模塊，所述iepe接口模塊與iepe傳感器連接，用於給iepe傳感器提供恆流，以及接收iepe傳感器的採集信號；當所述傳感器採集模塊為橋式傳感器採集模塊時，所述接口模塊為橋式傳感器接口模塊，所述橋式傳感器接口模塊與橋式傳感器連接，用於給橋式傳感器提供電壓激勵，以及接收橋式傳感器的採集信號。

進一步地，所述程控放大模塊包括儀表放大器ad8226和可變增益放大器ad603，所述程控濾波模塊包括四階巴特沃斯濾波電路和基於max264的程控濾波器；所述ad轉換模塊型號為ad7693，數據位寬為16位。為了提高採集系統對微弱信號的採集能力，使採集信號的幅值與a/d轉換晶片的輸入量程相一致，採用兩級放大的方式對採集信號做放大處理。採用儀表放大器ad8226和可變增益放大器ad603設計程控增益放大電路，通過兩級放大對信號進行調理。程控濾波模塊主要根據濾波參數對採集信號進行程控濾波。程控濾波模塊主要由四階巴特沃斯濾波電路與基於max264的程控濾波器組成，可實現0db~+62.14db之間的增益調整，內置巴特沃斯濾波器截止頻率為40khz；能根據被採集信號的帶寬對程控濾波器的q值以及截止頻率進行調節，通過設置不同的工作方式可以實現不同的濾波功能。本發明中程控濾波電路的核心電路可以是程控開關電容濾波器max264，通過fpga來實現程控功能。

進一步地，如圖8所示，本實施例的分布式微型數據採集系統，其上位機軟體設計採用win7系統作為開發平臺，軟體設計採用模塊化設計思想，由主控程序、驅動程序、參數配置程序和模塊功能程序組成。該系統是一個以硬體為控制，軟體、硬體緊密結合的整體，具體包括輸入參數配置模塊、存儲參數配置模塊、程控參數配置模塊、標定參數配置模塊、數據採集控制模塊、數據存儲控制模塊、數據分析處理模塊、波形顯示模塊、數據管理模塊、乙太網接口驅動、usb接口驅動等部分。應用程式主界面設計為幾個功能獨立的區域，依次為功參數設置區、狀態顯示區、數據分析區、功能菜單區。

最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。