基于PC104的電磁閥信號采集系統的研究與實現

魏永國 趙陽 李波

摘要：為了實現某型運載火箭電磁閥信號的實時采集，提出一種數據處理與顯示一體化的便攜分布式測試方案。嵌入式PC104系統作為主要測試平臺，利用外設接口掛接模擬量采集模塊，實現了電磁閥信號的采集存儲及實時顯示。采用分布式便攜結構，直接與箭地接口連接，減少中間處理環節。體積小，測試方便，可靠性高，能有效檢測電磁閥動作的模擬量信號的動態變化過程。

關鍵詞：PC104 一體化 分布測試

中圖分類號：TP336 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

運載火箭地面測試作為點火發射的必要條件，通過箭地接口檢測箭上各部件的工作狀態。電磁閥信號作為箭上姿控發動機和動力發動機的重要檢測指標，在系統測試中需要實時監測電磁閥的動作情況。采用通用的采集設備存在信號接口處理復雜，體積龐大、操作不便等問題。

隨著計算機技術的迅速發展，PC104系統作為一種新型的嵌入式計算機測控平臺，在軟件與硬件上與標準的臺式PC（PC/XT）體系結構完全兼容。它具有如下優點：體積小、高可靠性、長壽命、編程調試方便，并采用模塊化結構，緊固堆疊方式安裝，用戶自定義方案余量更大。在航空航天電子系統中基于PC104的專用測控方案得到了廣泛應用。本文利用PC104處理器外置專用采集板卡構建模擬量采集系統，完成了某型運載火箭電磁閥信號波形的采集處理。

1數據采集系統硬件設計方案

1.1系統功能及結構

本系統實現箭上電磁閥信號的實時采集及存儲，該類信號幅值小，最高不超過0.8V，要求采集精度高，至少不低于12bit，采樣頻率達到8KHz，能精確反映出電磁閥通斷過程，以測試箭上電磁閥的工作狀態，箭上共有多路電磁閥信號，需要考慮到通道之間需要完全隔離，被測信號與測試設備之間完全隔離等特殊要求。

本系統的基本框架如圖1所示，主處理器采用104-1814CLDNA系列嵌入式PCI/104結構主板，BIOS固化在CPU板上的閃存存儲器中，主要功能包括：初始化系統硬件，設置各系統部件的工作狀態，調整各系統部件的工作參數，診斷系統各部件的功能并報告故障給上層用戶。

軟件系統提供硬件操作控制接口，引導操作系統等。選擇組合電源并利用外設接口連接硬盤、顯示、鍵盤鼠標等設備組成一個完整的信號處理系統。

1.2 模擬量信號采集設計

本系統模擬量信號的采集主要采用PC/104接口的采集卡，該板卡可以同時完成24路信號的采集，模擬量采集卡基本框架如圖2所示。

單路輸入信號通過精密低功耗儀用放大器INA128的差分輸入接口接入，做消噪處理，INA128的輸入阻抗高達1010歐姆，輸出信號進入運算放大器TL082，調整輸入信號范圍，滿足線性光耦HCPL7520的輸入范圍，在該范圍內進行正常隔離變換，由于每路信號都單獨采用一電源芯片供電，實現24路信號的完全相互隔離。線性光耦輸出將返回值傳輸至AD采集芯片ADS1178進行模數轉換，本設計使用3片AD串聯的工作方式來滿足對24路信號的轉換，第三片AD的DOUT腳連接到DSP的McBSP口，DSP進行信號采集及實時跳變檢測處理。DSP芯片選用TI公司的TMS320VC5416。DSP芯片與接口PCI9030聯接，通過PC104接口與上位機進行信號交互通訊，完成模擬量信號的采集存儲與實時跳變檢測功能。

考慮到部分信號時序和兼容性的問題，系統中增加了CPLD芯片，使用了Xilinx公司的XC9572XL。CPLD實現了AD和DSP之間的串口數據時序的轉換及PCI9030和DSP的HPI接口之間的時序轉換和前端電路的控制。

2 軟件設計

按照本系統的設計目標，主要完成多路模擬量信號的實時采集存儲和跳變監測判定。軟件開始執行后，首先對整個系統的硬件配置進行初始化，主要包括PLL配置，中斷配置，串口輸出配置等功能。然后進入軟件初始化流程，主要對系統的緩沖區等進行初始化。系統進入命令字匹配流程，根據用戶給出的命令字進入響應的模擬信號處理流程。

模擬信號采集處理的主流程如圖3所示，當進入模擬信號主流程時，此時必然接收到Start命令字。Start命令字不僅撳動模擬信號采集主流程，而且開始進行信號的采集與跳變檢測，是否通知驅動讀取采集的信號或跳變信息由Det和Cap兩個命令字。僅當Det命令字有效時，當檢測到上跳或下跳信息時才將信息寫入跳變信息輸出緩沖區，并向驅動發跳變發生的通知中斷。當Cap命令字有效時，軟件會將采集的信號數據寫入信號數據輸出緩沖區，并通知驅動來讀取數據。用5個WORDs標識跳變信息，其前兩個Words用于計數時間，單位0.125ms（8Khz采樣），而后三個Words存儲跳變信息，即每2bit代表一路跳變信息，通道編號從高Bit到低Bit依次為1路到24路，01標識上跳，10標識下跳。

24路信號的每次采樣值一起構成一個數據塊，按采樣次序該數據塊依次排列。因此，若要獲取第1路數據，應先取第1個數據，然后每隔24個Words取一個數據，從而構成第1路采樣數據。

3實驗結果

利用本系統對某型火箭電磁閥信號進行波形采集，采集到的波形如圖4所示，該波形有效的反映了箭上電磁閥門的動作過程。

4結語

本設計實現了采樣頻率為8KHz，采集精度達12bit的多路模擬量信實時采集存儲功能，在系統應用中，采用便攜分布式結構與箭地接口連接，減少中間處理環節，體積小，測試方便，可靠性高，有效檢測出了電磁閥動作的變化過程。

本設計采集模擬量信號的同時還具有跳變監測功能，信號開始采集之前，設定跳變閾值，當輸入信號大于設定閾值，系統顯示上跳信息，反之顯示下跳信息。本系統還具有遠端判讀功能，在系統應用中，本地存儲模擬量信號采集數據，測試結束后，利用網絡接口，將本地數據傳輸至后端，進行模擬量信號的判讀處理。

參考文獻

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