一種多功能數據采集模塊的結構設計與實現

陳帥　郭建奇

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

關鍵詞：數據采集模塊;集成度高;可靠性高

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

1 總體設計方案

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;實現與外部設備的通信（ARINC825D-CAN總線）;DC-DC轉換電路具備數據記錄功能;預留測試/維護接口，實現數據的上載/下載以及程序的在線調試/燒寫功能;具備BIT功能，并具有運行狀態的指示功能和對SPDU內部5V供電電源的監控能力。

2 硬件設計

下面從接口以及產品工作方式這兩個方面來介紹該模塊的硬件設計。

（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;以太網調試接口：1路;RS232狀態回顯接口：1路;故障存儲電路：設置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，實現與機電管理分系統其他設備的各種通信功能。

（2）產品工作條件及方式。根據GSE*、STATUS0及STATUS1三種不同的狀態，引導不同軟件運行。在本系統中，引導程序只根據GSE*離散量識別空中狀態和地面調試狀態。

3 難點技術

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，轉換為可以進行TTL數字邏輯處理的數字信號。將信號的開路狀態通過下拉電阻轉化成電壓信號進行采集比較，電路設計如下圖所示。

根據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

當比較器輸出低狀態時，VL≈0V;當比較器輸出高狀態時，等效于開路，經外部電阻上拉至5V，VH≈5V。

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

當外部為28V狀態，即Vin=28V〉15.8V，所以U4≈5V。

當外部為開路狀態，通過R2下拉到地，Vin≈0V<14.3V，所以依據電路原理，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、多路開關和電壓跟隨后進行A/D轉換。電路設計如下圖所示。

根據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，各器件參數根據工程經驗而得。

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

利用電阻分壓和運放跟隨提供BIT信號源，通過控制開關實現BIT的測試。

Ubit=R6R5+R6VCC;經計算可知，Ubit≈1V。

4 結語

本文設計了一種“4合1”的數據采集及控制系統，從系統結構、硬件設計、難點技術對其進行了詳細的描述。采集模塊運用于新一代機載電子設備上，與系統中其他設備共同作用，使機載電子系統的性能達到最佳。經過系統聯試試驗，采集模塊穩定可靠，實踐結果表明，該設計方案合理可行，滿足機載電子系統的使用要求。

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