一種多功能數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

陳帥　郭建奇

摘?要：為縮小整機體積、擴展數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)的采集通道、提高系統(tǒng)靈活性、提高設(shè)備集成度，設(shè)計了一種集合電源、CPU子卡、CAN子卡、GIO基板四種分模塊的數(shù)據(jù)采集模塊，大大提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率，達到了“瘦身不瘦大腦”的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集模塊;集成度高;可靠性高

隨著機載計算機的不斷發(fā)展，“瘦身計劃”多次被提上日程，提高模塊的集成度已經(jīng)刻不容緩。因此，本文提出一種“四合一”的模塊設(shè)計方法，將電源、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、離散量&模擬量采集等多個功能集中在一個模塊上，該方法電路設(shè)計簡單、可靠性高，能夠進行多通道擴展，提高了系統(tǒng)的靈活性與實時性。

1 總體設(shè)計方案

該型采集模塊由GIO基板、CPU模塊、CAN模塊、電源模塊四部分組成。主要功能如下：對離散量和模擬量信號進行采集;實現(xiàn)與外部設(shè)備的通信（ARINC825D-CAN總線）;DC-DC轉(zhuǎn)換電路具備數(shù)據(jù)記錄功能;預(yù)留測試/維護接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上載/下載以及程序的在線調(diào)試/燒寫功能;具備BIT功能，并具有運行狀態(tài)的指示功能和對SPDU內(nèi)部5V供電電源的監(jiān)控能力。

2 硬件設(shè)計

下面從接口以及產(chǎn)品工作方式這兩個方面來介紹該模塊的硬件設(shè)計。

（1）接口。a.機械接口。通過矩形連接器與機箱下方的出線式矩形連接器相連，保證其安裝位置。b.電氣接口。采集模塊的電氣接口類型和數(shù)量如下：28V/開離散量輸入采集接口：100路;模擬量輸入電壓采集接口：4路;雙余度ARINC825總線通訊接口：1路;以太網(wǎng)調(diào)試接口：1路;RS232狀態(tài)回顯接口：1路;故障存儲電路：設(shè)置128 kbytes 8位的NVSRAM存儲器。c.總線接口。采集模塊具備ARINC825總線接口，實現(xiàn)與機電管理分系統(tǒng)其他設(shè)備的各種通信功能。

（2）產(chǎn)品工作條件及方式。根據(jù)GSE*、STATUS0及STATUS1三種不同的狀態(tài)，引導(dǎo)不同軟件運行。在本系統(tǒng)中，引導(dǎo)程序只根據(jù)GSE*離散量識別空中狀態(tài)和地面調(diào)試狀態(tài)。

3 難點技術(shù)

3.1 離散量輸入接口電路

28V/開路離散量信號采集電路主要將信號進行下拉、EMC濾波、比較輸出，轉(zhuǎn)換為可以進行TTL數(shù)字邏輯處理的數(shù)字信號。將信號的開路狀態(tài)通過下拉電阻轉(zhuǎn)化成電壓信號進行采集比較，電路設(shè)計如下圖所示。

根據(jù)疊加定理和比較器輸入端特性可計算出下列公式：

式中：VTU=

（R1+R2）（R3+R4）+R1R2R2R4VREF-（（R1+R2）R3+R1R2）R2R4VL

及式中：VTL=

（R1+R2）（R3+R4）+R1R2R2R4VREF-（（R1+R2）R3+R1R2）R2R4VH

當(dāng)比較器輸出低狀態(tài)時，VL≈0V;當(dāng)比較器輸出高狀態(tài)時，等效于開路，經(jīng)外部電阻上拉至5V，VH≈5V。

依據(jù)上述公式和電路的阻值，可得出Vref =6.82V;VTU≈15.8V;VTL≈14.3V。

當(dāng)外部為28V狀態(tài)，即Vin=28V〉15.8V，所以U4≈5V。

當(dāng)外部為開路狀態(tài)，通過R2下拉到地，Vin≈0V<14.3V，所以依據(jù)電路原理，U4≈0V。

3.2 模擬量精確采集輸入接口電路

35V直流模擬量輸入信號通過分壓電路、濾波、比例放大、多路開關(guān)和電壓跟隨后進行A/D轉(zhuǎn)換。電路設(shè)計如下圖所示。

根據(jù)運放的特性輸入阻抗很大，近似為開路，所以R2兩端電壓為UR2=R2R2+R1U1;UR2=U1/4，U1范圍0V～35V，可得UR2范為0V～8.75V。

依據(jù)差分放大器的推薦電路，抑制輸入信號的差模、共模干擾，在差分輸入信號間增加RC電路，各器件參數(shù)根據(jù)工程經(jīng)驗而得。

fdi=12πR（2CD+CC）;fCOM=12πRCC。式中，CD=C1，CC=C2=C3，經(jīng)計算可知fdi≈113Hz;fcom≈340kHz。

利用電阻分壓和運放跟隨提供BIT信號源，通過控制開關(guān)實現(xiàn)BIT的測試。

Ubit=R6R5+R6VCC;經(jīng)計算可知，Ubit≈1V。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種“4合1”的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計、難點技術(shù)對其進行了詳細(xì)的描述。采集模塊運用于新一代機載電子設(shè)備上，與系統(tǒng)中其他設(shè)備共同作用，使機載電子系統(tǒng)的性能達到最佳。經(jīng)過系統(tǒng)聯(lián)試試驗，采集模塊穩(wěn)定可靠，實踐結(jié)果表明，該設(shè)計方案合理可行，滿足機載電子系統(tǒng)的使用要求。

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