??? 摘? 要: 一種多路實(shí)時(shí)測速系統(tǒng)" title="測速系統(tǒng)">測速系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在飛行器分離時(shí)間內(nèi)把分布于分離截面的各個(gè)測速傳感器的信號采集至計(jì)算機(jī)內(nèi)存,實(shí)時(shí)分析、處理得出飛行器分離過程的速度、加速度參數(shù)并得到整個(gè)分離過程的速度、加速度曲線。本文著重介紹了這種測速系統(tǒng)的核心部分多通道數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和精度。?
??? 關(guān)鍵詞: 飛行器分離? 測速? 數(shù)據(jù)采集?
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??? 飛行器飛行中的分離速度是指爆炸螺栓爆炸斷裂后,各級助推器之間以及助推器與載荷之間的分離速度,是飛行器的關(guān)鍵參數(shù)之一,直接決定了飛行器能否安全分離。因而在飛行器的地面試驗(yàn)研究中,需要對飛行器分離速度進(jìn)行測量分析。傳統(tǒng)的測量方法是采用高速攝像機(jī),在飛行器分離時(shí)從各個(gè)角度進(jìn)行高速攝像,事后對圖像信號進(jìn)行處理,從而獲得飛行器分離的速度、加速度信息。但這種方式存在成本高、精度低、難以操作、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)。因此,隨著飛行器試驗(yàn)研究的不斷深入,迫切需要一種高精度、高性能價(jià)格比的測速系統(tǒng)。本文介紹了一種用于飛行器地面分離實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)測速系統(tǒng),系統(tǒng)示意圖見圖1。該系統(tǒng)包括傳感器和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理分析系統(tǒng)。多通道高速大容量數(shù)據(jù)采集處理分析系統(tǒng)是飛行器分離測速系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,主要用于在飛行器分離時(shí)對均勻分布于飛行器分離截面的傳感器信息進(jìn)行6路并行零相差高速長時(shí)間不間斷采集、實(shí)時(shí)或事后數(shù)據(jù)處理分析,從而得到飛行器分離的速度及加速度曲線。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)由6通道數(shù)據(jù)采集卡" title="采集卡">采集卡、主控微機(jī)及系統(tǒng)主控、數(shù)據(jù)處理分析軟件構(gòu)成。該系統(tǒng)已成功地用于某飛行器的地面試驗(yàn)研究。?
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1 多通道并行高速數(shù)據(jù)采集卡?
??? 6路并行零相差高速數(shù)據(jù)采集卡主要用來對均勻分布于分離截面的6速度傳感器信號進(jìn)行采集。它主要包括可編程衰減放大器、高速A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA門陣列邏輯控制電路等幾部分。其原理框圖見圖2。?
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1.1 多通道數(shù)據(jù)采集卡的技術(shù)指標(biāo)?
??? (1)通道數(shù):6個(gè);?
??? (2)采樣頻率:1MHz;?
??? (3)數(shù)據(jù)分辨率:12位;?
??? (4)大容量數(shù)據(jù)緩存:2×512K×12bits乒乓緩存,連續(xù)不間斷采樣數(shù)據(jù)量以主控微機(jī)可用內(nèi)存為上限;?
??? (5)同步接口:任意通道觸發(fā)采集,觸發(fā)電平0～12V連續(xù)可調(diào);?
??? (6)模擬信號帶寬:500kHz;?
??? (7)模擬信號動態(tài)范圍:0～12V;?
??? (8)負(fù)延時(shí)長度:0～256KB即0～256ms可選;?
??? (9)計(jì)算機(jī)接口:PCI接口。?
1.2? 6通道數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)?
1.2.1 可編程衰減放大器?
??? 衰減放大器將傳感器模擬信號適當(dāng)衰減后(衰減比例為4),送入寬帶視頻放大器放大，驅(qū)動相應(yīng)通道的A/D轉(zhuǎn)換器。由于傳感器信號的幅度高達(dá)12V,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了A/D轉(zhuǎn)換器所能接受的2.5V的動態(tài)范圍,因此設(shè)計(jì)了衰減電路,其衰減由RC衰減網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。?
1.2.2 6路并行A/D轉(zhuǎn)換器?
??? 為了采集6路并行的位移傳感器信號,系統(tǒng)需要6路并行的A/D轉(zhuǎn)換電路。本系統(tǒng)采用了美國ANALOG DEVICE公司的12位高速單片A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9221作為A/D電路的核心器件。AD9221具有片內(nèi)采樣保持電路以及低溫度飄移系數(shù)的基準(zhǔn)電源,僅以單一的+5V電源工作。它的無雜散動態(tài)范圍可達(dá)80dB,很適合本系統(tǒng)的要求;同時(shí)高速A/D電路的模擬信號輸入采用單電源的緩沖運(yùn)算放大器,避免了毀滅性的ADC過激勵(lì)。模擬信號緩沖及輸入電路見圖3。?
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1.2.3 FPGA門陣列邏輯控制電路?
??? 由于FPGA門陣列能夠很好地提高系統(tǒng)的集成度和可靠性,本采集卡運(yùn)用了一片超大規(guī)模門陣列完成了系統(tǒng)的邏輯控制。采用美國XILINX公司的基于SRAM技術(shù)的FPGA芯片XCS30。XCS30是XILINX公司SPATAN系列的門陣列,具有多達(dá)3萬門可用資源。豐富的內(nèi)部互連資源及512個(gè)宏單元中所包括的1024觸發(fā)器能夠很好地滿足本系統(tǒng)的需求。該FPGA芯片主要完成的功能包括:計(jì)算機(jī)PCI接口電路、高速數(shù)據(jù)通道、采樣控制電路,其內(nèi)部原理框圖見圖4。?
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??? 本采集系統(tǒng)的并行通道多達(dá)6個(gè)。為了更好地利用緩沖存儲器,設(shè)計(jì)中運(yùn)用FPGA產(chǎn)生多路到一路的高速數(shù)據(jù)通道,把6個(gè)速率為1MHz的12位數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為一路乒乓切換的24位數(shù)據(jù)流,時(shí)序見圖5。 ?
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??? 采集卡的PCI接口控制電路采用了專用接口電路S5933。外圍電路僅僅需要與S5933通信,得益于FPGA良好的可編程性,所有響應(yīng)S5933訪問的ADD-ON總線邏輯被集成于FPGA內(nèi)部,并可根據(jù)需要進(jìn)行動態(tài)可重構(gòu)配置,以完成各種不同的功能。FPGA配合S5933的時(shí)序把采集卡上的兩塊緩存映射為PC機(jī)的兩塊內(nèi)存,響應(yīng)主機(jī)PATH-THROGH方式以單次或猝發(fā)連續(xù)模式讀取采集卡上的數(shù)據(jù)；同時(shí)還響應(yīng)主機(jī)根據(jù)S5933所設(shè)置的I/O端口訪問,主控軟件通過這樣的端口訪問實(shí)現(xiàn)對采集卡的配置、控制和狀態(tài)查詢以及響應(yīng)采集卡的中斷請求。?
1.2.4 大容量緩沖存儲器的設(shè)計(jì)?
??? 在飛行器實(shí)驗(yàn)中,需要長時(shí)間不間斷地采集分離信息。一般來說,采樣時(shí)間不少于10s。可以看到,實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)量相當(dāng)巨大,大容量的數(shù)據(jù)存儲器必不可少。解決這一問題有兩個(gè)途徑:一是增大采集卡緩存器的容量,但大容量靜態(tài)RAM的成本較高;二是在接口速度足夠快的條件下利用容量較大的控制主機(jī)的內(nèi)存。峰值速率高達(dá)33M×32bits的PCI總線速率遠(yuǎn)大于采樣的數(shù)據(jù)率,因此可以利用主機(jī)內(nèi)存作為長時(shí)存儲器。采集卡上必須有能采集并同時(shí)被主機(jī)訪問的緩存器,因此設(shè)計(jì)了雙路乒乓切換的大容量數(shù)據(jù)緩存器。?
??? 采集卡所選用的存儲器為HM628512。這是一種容量為512K×8位的高速靜態(tài)存儲器,其讀寫周期僅為20ns,可以較好地滿足系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量、高速存儲的要求。在電路構(gòu)成上,設(shè)計(jì)了兩路存儲器(A路、B路),通過FPGA提供的讀寫信號(OE、WE、CE)構(gòu)成“乒乓開關(guān)”式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的好處在于對一組存儲器進(jìn)行寫操作(即處于采集工作狀態(tài))的同時(shí),主機(jī)對另外一組存儲器進(jìn)行讀操作(即采集器" title="采集器">采集器向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù))。這樣使得采集器采集數(shù)據(jù)與傳輸數(shù)據(jù)能同時(shí)進(jìn)行,使系統(tǒng)能不間斷地采集數(shù)據(jù),從而滿足長時(shí)測速要求。?
??? 6通道A/D轉(zhuǎn)換后組合成24位數(shù)據(jù)輸出,每路需要用3片HM628512構(gòu)成512K×24bits的緩存器。兩路各3片HM628512的地址信號及控制信號都由FPGA給出。同一路的3片存儲器以位擴(kuò)展的方式連接在一起,共用一組地址線,數(shù)據(jù)線分開。為了實(shí)現(xiàn)兩組存儲器同時(shí)進(jìn)行讀寫操作,需要將數(shù)據(jù)輸入總線和輸出總線隔離。采用FPGA 進(jìn)行地址發(fā)生及邏輯控制,極大地減小了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。雙路存儲器(A路,B路)的構(gòu)成原理框圖見圖6。?
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1.2.5 PCI接口電路?
??? PCI總線近年來迅速推廣并已成為PC機(jī)主流總線。它是一種局部總線,通過主橋路掛接到主CPU上。它是獨(dú)立于處理器的同步總線,支持總線主控和猝發(fā)方式傳送,數(shù)據(jù)/地址寬度為32位/64位,總線時(shí)鐘頻率0～33MHz,靈活配置并支持即插即用。而它的寬數(shù)據(jù)位、高傳輸數(shù)據(jù)率、多種運(yùn)用方式為計(jì)算機(jī)外設(shè)與主機(jī)的高速信息交換帶來了極大的便利。?
??? PCI總線有著嚴(yán)格的電氣規(guī)范和時(shí)序要求,完全獨(dú)立自主開發(fā)基于PCI總線的接口電路有一定的難度。因此在PCI總線與數(shù)據(jù)采集器傳輸數(shù)據(jù)總線之間需要一個(gè)總線接口控制器。本采集系統(tǒng)接口電路選用了美國AMCC公司提供的通用PCI總線橋接器S5933。S5933支持2.1版PCI協(xié)議,達(dá)到132MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。具有8/16/32bit擴(kuò)展總線寬度、4個(gè)可編程的高速數(shù)據(jù)通道、 2個(gè)32Byte支持猝發(fā)方式的FIFOS、主動或被動的用戶擴(kuò)展總線、 兼容即插即用技術(shù)、通過郵箱的讀寫中斷、PCI總線與用戶擴(kuò)展總線之間的中斷信號直接互連。在本采集系統(tǒng)中,采用S5933的PATH-THROGH方式進(jìn)行采集卡與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換,通過郵箱發(fā)送采集卡給主機(jī)的中斷申請,兩塊緩沖存儲器分別映射為主機(jī)的兩塊內(nèi)存。采集卡占用主機(jī)的內(nèi)存、端口及中斷資源見表1。
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2 系統(tǒng)主控分析軟件的設(shè)計(jì)?
??? 系統(tǒng)主控分析軟件是利用VC++語言編寫而成的,包括以下幾個(gè)功能模塊:PCI接口虛擬驅(qū)動程序、采集器初始化子程序" title="子程序">子程序、采集控制子程序、內(nèi)存管理子程序、波形顯示及數(shù)據(jù)處理子程序。?
本測速系統(tǒng)軟件基于Windows98操作系統(tǒng)運(yùn)行。Win98系統(tǒng)禁止對底層硬件資源直接進(jìn)行訪問。應(yīng)用程序必須通過虛擬設(shè)備驅(qū)動程序來訪問硬件資源,因此本采集卡需要相應(yīng)的驅(qū)動程序支持。VxD(Virtual Device Driver)是用來擴(kuò)展Windows操作系統(tǒng)功能的一類程序。它最初用來支持硬件設(shè)備的管理,以DLL的形式鏈入Windows操作系統(tǒng)的核心層(ring 0)。VxD主要解決不能被ring 3層應(yīng)用程序處理的一系列問題。Win9x系統(tǒng)的核心(Kernel)由虛擬機(jī)管理器(VMM)和VxD的集合組成。Kernel提供了900多個(gè)服務(wù)函數(shù)來管理內(nèi)存、控制物理設(shè)備、處理中斷管理文件系統(tǒng)等。這些服務(wù)函數(shù)都可由自己編的VxD調(diào)用。多路采集卡驅(qū)動程序利用Vireo Software公司的VtoolsD工具及VC++編寫,實(shí)現(xiàn)了對采集卡內(nèi)存的訪問以及響應(yīng)采集卡的中斷請求。?
采集器初始化子程序用來對采集器進(jìn)行初始化設(shè)置,可以對采集器的衰減比、采樣模式(某幾個(gè)通道輪巡或某個(gè)通道單獨(dú)采集)、負(fù)延時(shí)長短等進(jìn)行編程。采集控制子程序?qū)Σ杉^程進(jìn)行控制,采集開始時(shí)啟動采集器進(jìn)行負(fù)延時(shí)采集,在分離開始后控制采集卡完成整個(gè)采集過程。波形顯示及數(shù)據(jù)處理子程序則對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得分離速度信息,把采集到的數(shù)據(jù)波形在微機(jī)上復(fù)現(xiàn),并顯示分離速度曲線。?
3 數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果?
??? 實(shí)驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過平滑等預(yù)處理后,可以得到飛行器分離的速度及加速度數(shù)據(jù),飛行器分離的速度曲線見圖7、圖8,加速度曲線見圖9。結(jié)果表明,測速系統(tǒng)在測量精度上比高速攝像機(jī)提高了兩個(gè)數(shù)量級,更好地保證了飛行器的地面實(shí)驗(yàn)。配以不同的傳感器以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理分析軟件,該系統(tǒng)可以應(yīng)用于不同的測量分析領(lǐng)域,具有良好的可移植性和可擴(kuò)展性。?
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參考文獻(xiàn)?
1 陳曾平.雷達(dá)目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征識別的理論與應(yīng)用. 國防科技大學(xué)博士學(xué)位論文,1994?
2 陳曾平，王 偉.KD10A十位數(shù)據(jù)采集卡.數(shù)據(jù)采集與處理,1995；(1)?
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