多路隔離信號采集存儲系統設計

劉 欣 翟成瑞 張會新

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室1，山西 太原 030051；中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室2，山西 太原 030051）

多路隔離信號采集存儲系統設計

劉 欣1，2翟成瑞1，2張會新1，2

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室1，山西 太原 030051；中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室2，山西 太原 030051）

為采集飛行器落地瞬間兩路隔離電壓參數與一路PCM碼流數據參數，采用“信號全隔離”思想，在電源隔離的同時使用光耦隔離芯片HCNR201對兩路模擬電壓速變量信號進行光耦隔離。系統采用Xilinx公司Vertex-II系列器件作為FPGA，以光繼電器AQY210為選通開關，ADS8365作為模數轉換器，經過FPGA混合編幀處理后將數據寫入Flash中，存儲數據完整可靠，模擬量波形穩定。實踐證明，該系統可以成功隔離并采集到多路信號，滿足設計需求。

信號全隔離 模擬信號 數字信號 HCNR201 FPGA 混合編幀

0 引言

航天遙測系統中各個測量信號能夠使工作人員掌握飛行器內部的環境數據和工作狀態，為飛行器的整體性能和故障分析提供實時可靠的依據，使其得到進一步的改進和提高。如何采集并存儲這些測量信號參數顯得尤為重要［1－2］。本設計要求采集并存儲多路模擬信號與脈沖編碼調制（pulse codemodulation，PCM）串行數據信號，并且多路信號之間要求彼此隔離，互不干涉，從而得到該飛行器測量所需重要參數。

1 總體方案設計

以模塊化、電路最簡化、高可靠性為原則，對數據采集存儲系統進行了專門設計。系統固態存儲器、地面測試臺、計算機共同組成數據采集存儲系統。系統組成框圖如圖1所示。系統供電采用模擬部分和數字部分獨立供電方式，避免模擬、數字兩部分之間供電干擾，導致信號傳輸質量的下降。系統采用變壓器隔離原理，實現模擬、數字部分接地點各電路之間的電氣連接隔離；利用光電隔離實現多路開關數字選通信號之間的隔離。系統采用光隔繼電器HCNR201進行各模擬輸入通道之間的隔離，不影響正常PCM碼流的存儲［3］。

本文采用“信號全隔離”思想，主要包括信號隔離和電源隔離。采用線性光耦構成模擬信號光耦隔離電路，對自檢模式下地面測試臺輸入或者整機聯試模式下系統輸出的兩路模擬電壓速變量信號進行隔離。其中，兩路模擬電壓信號與數據綜合控制器輸出的PCM數據量信號相隔離，兩路模擬電壓信號之間亦保證隔離。兩路模擬量信號由測量裝置隔離、A/D變換與采樣后，直接存儲于測量裝置存儲器內部。存儲這兩路參數的同時亦不能影響正常PCM碼流的數據存儲。對于存儲系統的電源模塊，設計采用遙測系統供電與存儲裝置自供電兩種方式下的智能選擇供電。此外，為避免在飛行器落地瞬間的較大沖擊造成系統整體斷電，無法為存儲器正常的采集存儲供電，除依靠遙測系統輸出的二次電源供電外，在測量裝置中設計了自供電模塊。

“控制解保”不帶電常開觸點信號即可作為固態存儲器自帶電池的供電啟動信號，用于確保完整采集到飛行器落地瞬間或者其他緊急斷電時的多路隔離信號，使測量裝置實現全機智能化供電。通過以上方式，確保存儲系統在各類環境條件下均能可靠采集所需數據信號，且各路信號相互隔離，為進一步數據處理與分析奠定基礎。

圖1 采集存儲系統組成框圖Fig.1 Block diagram of composition of acquisition and storage system

2 硬件電路設計

采集存儲系統由存儲板和電源板構成其存儲硬件組成電路。2路模擬輸入信號分別通過光耦隔離芯片HCNR201完成光耦隔離，通過運算放大器OPA4340轉換為0～5 V模擬電壓信號，之后傳入存儲板中，由ADS8365采集［3］。同時，RS-422接口芯片DS26C32接收來自測試臺的1路PCM數字量與1路“點火”信號。在完成FPGA模數混編后，通過內部FIFO高速傳輸將數據寫入Flash中。其中，電源板接收來自測試臺供給的28 V直流電源，待濾波后轉為5 V直流電壓，用于光電隔離電路和存儲板電路的供電。

2.1 光耦隔離電路

系統中兩路輸入隔離電壓為模擬量瞬變信號，信號分別經過線性光耦構成的光耦隔離電路后，由FPGA進行采編、存儲［4］。本文采用Agilent公司的HCNR201完成兩路模擬信號的線性隔離。兩路隔離電壓模擬輸入信號在HCNR201中完成電壓電流轉化，即0～5 V瞬時輸入電壓的變化體現在電流上，進而實現電壓隔離。一路光耦隔離電路原理圖如圖2所示。其中，在輸入、輸出端添加OPA4340運算放大器，以對電路進行放大、跟隨，芯片所限供電電壓為2.7～5.5 V。該光耦隔離電路系統的輸入隔離電壓信號為0～5V，滿足OPA4340運算放大器的幅值區間要求。

圖2 光耦隔離電路原理圖Fig.2 Schematis of opto-coupler isolation circuit

下面對第一路輸入電壓模擬量+SIG_IN1的線性隔離進行計算。設光耦輸入端電壓為Uin，輸出端電壓為Uout，光耦保證的兩個電流傳遞系數分別為K1、K2，K1與K2約為0.50％，并且隨溫度變化較大，K3為K1、K2的線性比，運放輸出端的電壓為Uo。在運放不飽和的情況下，Uo0與Ui滿足下面的關系：

式中：Ui為運放負端的輸入電壓；Uo為運放輸出端的電壓；Uo0為在運放輸入差模為0時的輸出電壓；G為運放的增益。

由歐姆定律變換可得：

式中：IF為通過R3兩端的電流。

由式（5）可得，光耦隔離電路中輸入的隔離電壓模擬信號與輸出模擬電壓值成正比。Uin的放大比例由R1、R2電阻值以及比例系數K3確定。由式（1）可知，K3的大小由K1、K2的比值所決定，當K1=K2時，K3=1。取R3=R5=180 kΩ，使得Uout=Uin，從而實現了模擬電壓值只隔離不放大的設計要求。

2.2 選通開關電路

“控制解保”不帶電常開觸點信號可作為兩路隔離電壓測量的啟動信號。文中采用光MOS繼電器AQY210構成選通開關硬件電路，控制“控制解保”命令開關［5］。

固態存儲器實時接收到控制解保信號后，常開觸點變為常閉，解保信號由“0”變為“1”并保持。作為遙測啟動時序，控制解保信號的發生直接決定著模擬量的啟動采樣。之后，現場可編程邏輯陣列（FPGA）控制A/D轉換啟動采集，經編幀處理后進行存儲記錄。

“控制解保”選通開關硬件設計電路如圖3所示。

圖3 選通開關電路Fig.3 The strobe switching circuit

3 FPGA邏輯設計

測量裝置的采集存儲采取智能模式。當系統加電后60 s內未收到測試臺下發的控制命令時，系統自動開始記錄；當收到“點火”指令后600 s時，系統自動停止記錄。如收到“讀數”、“擦除”等命令，則只響應測試設備的命令。在數據記錄狀態，FPGA通過RS-422接口采集接收PCM碼流信號，編碼后寫入FPGA內部先進先出（first in first out，FIFO）中緩存。待接收到“控制解保”命令后，選通開關AQY210置高，A/D采集模擬量，編幀處理后緩存寫入相應內部FIFO中［6］。待FPGA分別從以上內部FIFO中讀取數據并混合編幀處理后，數據寫入Flash存儲單元內。FPGA整體邏輯設計流程如圖4所示。

圖4 FPGA邏輯設計流程圖Fig.4 Design flowchart of FPGA logic

4 數模混編邏輯設計

FPGA將數字量和模擬量寫入其內部FIFO之前，會先對其進行混合編幀［7－8］。首先判斷“控制解保”信號是否下發，若接收到“解保”命令，則開始向FIFO中寫入模擬量。開始記錄模擬量信號后，FPGA從FIFO中連續讀取模擬量數據，接著判斷數字量并寫入FIFO。連續讀取兩PCM數據并一同寫入FPGA內部緩存FIFO中，待整理后轉存寫入Flash中。其中，模擬量與數字量需按一定的編幀格式進行處理，即分別在數據位加上幀頭、幀尾、“點火”及“循環”等幀標志，如此輪循判斷編幀，完成數模混合編碼。數據幀結構如表1所示。

表1 數據幀結構Tab.1 Structure of the data frame

5 測試結果

測試結束后，上位機軟件將采編到的數模混合編幀數據解包為PCM數字量與模擬量數據兩部分。首先，分析PCM數據，數據完整、正確。之后將模擬量數據拆分為兩通道，分別予以分析，并由上位機對采集到的模擬量進行繪圖，得到電壓幅值遍布0～5 V的模擬量波形，波形穩定、可靠。

6 結束語

本文設計的多路隔離信號采集存儲系統，采用模塊化設計思想與“信號全隔離”的技術方法，重點對多路信號隔離問題、模擬量調制開關應用、數字量/模擬量數據混合編幀等問題進行了設計與實現。通過反復測試應用表明，系統確保了遙測系統中固態存儲器與測量綜合控制器之間串行數據無誤碼可靠傳輸、多路隔離電壓測量可靠啟動和存儲數據安全回收等，對新一代飛行器的研制和改進具有重要意義。

［1］張文棟.存儲測試系統的設計理論及其應用［M］.北京：高等教育出版社，2002：140－150.

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［6］康偉，路秀芬，詹哲軍.基于ADS8365的高速同步數據采集系統［J］.電腦開發與應用，2009，22（4）：48－49.

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Design of the Acquisition and Storage System for Multi-channel Isolated Signals

To acquire two channels of isolated voltage parameters and one channel of PCM code stream data parameter at the landingmomentof the aircrafts，the concept of“signal full isolation”is adopted.While in power supply isolation，the opto-coupling isolation chip HCNR201 is used to opto-coupling isolate two of the speed variable analog voltage signals.In the system，the device of Vertex-II family from Xilinx is used as the FPGA，the optical relay AQY210 is used as the strobe switch，and ADS8365 is used as A/D converter.After FPGA mixing framing processing，the data are written into Flash，the data saved are reliable and complete，and the analog waveform is stable.The practice proves that the system can successfully isolate and collectmultiple channels of signals，so the demand for design is satisfied.

Signal full isolation Analog signal Digital signal HCNR201 FPGA Mixed framing

TP391

A

資助項目（編號：51075375）。

修改稿收到日期：2014－01－22。

劉欣（1990－），女，現為中北大學測試計量技術及儀器專業在讀碩士研究生；主要從事電路系統與數據采集方面的研究。