基于FPGA的侵徹過程數據采集系統設計*

郝天琪，崔建利，李　策，張斌珍*

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

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基于FPGA的侵徹過程數據采集系統設計*

郝天琪2，崔建利1，李策1，張斌珍1*

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

摘要：針對傳統侵徹過程數據處理繁瑣、采集效率低的不足，設計了一套基于FPGA的3軸高g值傳感器數據解算自動采集系統。采用以XC3S400為主控單元，MATLAB-GUI作為上位機軟件開發平臺完成數據采集、解算。傳感器產生電壓信號經過主放大器INA827芯片，通過A/D轉換器AD7934采樣，將采樣后信號存儲到Flash中，經由FT2232C芯片通過USB傳回計算機進行數據解算。通過實際測試驗證，該系統不僅可以滿足侵徹過程中數據的實時采集存儲的要求，同時完成了侵徹過程數據處理解算。將數據采集與解算集成，提高了侵徹過程解算效率。

關鍵詞：FPGA；侵徹；INA827；MATLAB

項目來源：國家自然科學基金項目（50905169）

侵徹、貫穿過程問題的研究與軍事、科技、國民經濟發展密切相關，其中彈體侵徹過程是十分復雜的力學現象。為了實現彈體功能的最優化，達到對目標的最大摧毀效果，就要求獲取彈體侵徹過程中的加速度信號，并對采集的信號數據進行解算［1-3］。目前，侵徹過程的解算主要以彈載存儲器進行數據采集存儲，采用VB、Visual Studio+QT等作為上位機軟件開發平臺，最后使用Origin、Matlab等軟件進行數據解算。雖然解決了侵徹過程的數據解算，但是面對大量數據不但效率低，而且數據處理也甚為繁瑣。

FPGA具有時鐘頻率高、控制周期短、執行速度快、靈活性強、通用能力好等優點［4，5］，結合USB芯片FT2232C具有熱插拔、速度快和外設容量大以及便攜等特性，以AD7934作為A/D采集模塊組成數據采集系統。利用MATLAB-GUI處理數據能力強，開發周期短的優點作為上位機軟件開發平臺不僅可以完成上位機的功能，也集成數據解算功能［6］。與傳統侵徹過程解算相比，具有操作簡單、效率高的優勢。

1　系統總體設計

侵徹過程數據采集系統組成如圖1所示。電源模塊將7.4 V鋰電池和4.5 V氧化銀電池轉化成2.5 V、3.3 V電壓后，為系統各模塊、芯片供電。根據系統的需求，選擇Xilinx公司生產的FPGA芯片XC3S400作為主控單元完成對采集存儲模塊的采集、控制和傳輸的時序控制。并以XCF01S為配置芯片，由25MHz的外部晶振提供時鐘信號，主要有前信號調理預處理、數據采集存儲和數據傳輸等部分組成。

圖1　系統結構框圖

彈體侵徹的模擬信號，通過信號調理預處理經過A/D采集模塊，FPGA控制A/D轉換器對輸入模擬信號進行模數轉換、采集，并按照一定格式存入存儲器中。上位機通過USB通信接口芯片FT2232C上傳至計算機中，完成數據解算。

2　系統硬件組成

2.1數據采集模塊

系統使用ADI公司的AD7934芯片逐次逼近型（SAR）模數轉換器，內置一個低噪聲、寬帶寬、差分采樣保持放大器，可處理最高達50 MHz的輸入頻率［7-8］，一次完成12 bit模數轉換，具有高速、低功耗、最高吞吐量1.5 Msample/s的優點。設計中使用電源模塊提供的3.3 V供電，REF引腳外接一個精確的3.3V電壓源用作模數轉換的基準電壓將轉換量程設置為0~3.3 V。使用外部提供25 MHz時鐘信號，采樣率達300 kHz。AD7934的工作時序如圖2所示。

圖2　AD7934工作時序圖

2.2數據傳輸模塊

系統數據傳輸接口采用的是FTDI公司的一款USB到UART/FIFO的轉換電路FT2232C。FT2232C具有兩個多用途的UART/FIFO控制器，可分別配置成不同的工作模式。一個USB下游端口轉換成兩個I/O通道，每個I/O通道相當一個FT232BM或FT245BM，可以單獨配置成UART接口或者FIFO接口。通過對外掛EEPROM的配置，FT2232C還提供一系列新的操作模式，如多協議同步串行機接口［9］。FT2232C只需添加簡單配置電路，便可實現由單電路到雙通道串/并口的轉換，集成了全部USB處理協議，使用時不需要另外編寫USB固件程序2個I/O通道（A/B）相互獨立，可配置成2個5 V、2個3.3 V或一個5 V、一個3.3 V的邏輯I/O接口，FT2232C發送數據的速率為300~1 Mbit/s或3Mbs。FT2232C通過8 bit并行接口與FPGA微控制器外設接口連接，實現信息和數據的交換，上位機通過USB接口與FT2232C傳輸數據。PC通信時只需安裝FTDI公司提供的官方驅動程序，簡單的MATLAB-GUI、VB、VC編程進行上位機軟件開發。FT2232C的外圍電路如圖3所示。

圖3　FT2232C的外圍電路

3　系統軟件設計

上位機軟件采用MATLAB-GUI的開飯平臺，運用M語言編寫程序，通過FT2232C芯片與存儲器進行通信，完成數據采集。如圖4所示為上位機的人機交換界面，可以實現數據采集、數據存儲、完成數據解算的功能。

圖4　上位機軟件人機界面

配置好上位機的USB通信端口，選擇數據存儲路徑后，點擊數據裝載，系統將按照指定的參數采集數據，同時校驗數據的完整度以及，最終畫出侵徹過程中的數據圖，并畫出FFT后的圖形。完成數據裝載后，根據得到的FFT圖像，選擇適當的濾波截止頻率對實測信號進行濾波分析，并解算侵徹過程中的速度、位移信息，畫出速度、位移與時間的歷程圖。上位機的流程圖如圖5所示。

圖5　上位機軟件流程圖

4　實驗驗證

以某次炮擊實驗中使用該系統進行數據采集，解算彈體侵徹過程。通過上位機軟件分析采集的數據，解算得到侵徹過程結果如圖6所示。系統解算得到彈體侵徹過程結果與實驗中激光測量基本一致。

圖6　系統實測

5　結束語

基于FPGA設計的侵徹過程數據采集系統，使用MATLAB-GUI將數據采集和侵徹過程解算集成到上位機中，實現X、Y、Z，3軸信號同時采集，不僅滿足了侵徹信號采集對系統高采樣率、高精度的要求，同時利用簡潔的人機交換界面完成對侵徹過程的數據處理，方便用戶操作，具有很高的實際應用價值。

參考文獻：

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郝天琪（1992-），男，漢族，中北大學碩士研究生，主要研究方向現代測試技術，384047315@qq.com；張斌珍（1974-），男，山西嵐縣人，教授，主要研究方向為微納機電系統和武器系統惡劣環境下的動態測試技術在此領域內先后開展微納器件和系統的設計制造，微弱信號檢測與處理，以及惡劣環境下存儲測試理論與技術的研究。

The Monitoring System of CAN Bus Based on DSP and FPGA*

GAO Yang1，LI Yonghong1*，YUE Fengying2，JIN Zhikun3，MA Shaoxuan4

（1.School of Instrument and Electronics，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.School of Computer Science and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.Beijing Laborman Science Co.，Ltd，Beijing 10070，China；4.Inner Mongolia Mengdong Energy Ewenke Power Plant Hulunbeier，Inner Mongolia 021000，China）

Abstract：In order to acquire and conduct real-time monitoring CAN bus data of each node in a certain weapon sys?tem，CAN bus monitoring system based on FPGA and DSP is designed. The CAN2.0B protocol is used for transfer?ring two channels CAN bus data in this system. The experimental results indicate that this system can function prop?erly by 1 000 kbit/s and has good real-time performance，strong anti-interference ability. It can measure and ac?quire accurately the parameters of the weapon system.

Key words：real-time monitoring；data acquisition；CANbus；FPGA；DSP

doi：EEACC：721010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.034

收稿日期：2015-03-25修改日期：2015-04-20

中圖分類號：TN70

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0160-04