一種高可靠性高精度參數采集系統設計

王洋洋，陳亞都，楊啟帆

（中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

隨著航空技術的高速發展，航電系統綜合化程度越來越高，新一代航電系統傳感器的種類、數量、復雜性及數據量快速增加，需要采集的信號類型多樣，如電壓、電流、頻率等，對信號采集精度和數據傳輸可靠性的要求也越來越高[1,2]。針對高精度、高可靠性的參數采集和處理需求，設計了一種基于高可靠性微控制器和高精度模數轉換器的參數采集系統。該系統可以實現多種不同類型信號的采集和處理，采用FlexRay總線實現對外數據傳輸。

1 系統架構

參數采集系統主要包括電源轉換、對外通信、信號調理、數據處理和控制4部分。電源轉換部分通過將外部電源轉換成內部需要的不同電壓類型，為信號調理部分、通信部分、微控制器部分等供電。對外通信部分實現參數采集系統和外部設備的數據傳輸功能。信號調理部分可以處理多種類型信號，包括電壓信號、電流信號、頻率信號等，再通過高精度數模轉換芯片實現信號的采集。通過采用高性能的微控制器TMS570和復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD），實現數據處理和控制。此外，還有時鐘電路為微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）、CPLD等提供時鐘信號，聯合測試工作組（Joint Test Action Group，JTAG）電路提供程序加載和調試接口。參數采集系統的功能框架如圖1所示。

圖1 參數采集系統功能框架

2 硬件設計

參數采集系統硬件部分包括微控制器電路、CPLD電路、供電電路、信號調理電路以及通信電路等。

2.1 數據處理和控制電路

參數采集系統采用TMS570系列處理器，由外部時鐘源提供系統時鐘。該處理器是一款用于安全系統的高性能微控制器，其采用雙核鎖步設計，具備故障注入檢測和自檢能力，可以減少共模故障。

2.2 CPLD電路

參數采集系統的可編程邏輯器件采用5M570系列芯片，其具有低功耗、低成本等特點，工作溫度為-40～100 ℃。5M570系列可編程邏輯器件含有JTAG接口，具有可測試性。CPLD主要實現電路復位、總線訪問控制、芯片片選以及信號輸入與輸出等功能，由外部時鐘源提供系統時鐘。

2.3 電源轉換電路

參數采集系統的電源電路設計分為一次轉換電路和二次轉換電路。一次轉換電路主要由輸入隔離電路、電壓轉換電路以及電源工作狀態指示電路等構成，設計供電范圍為9～36 V，經過電源轉換電路轉換后輸出12 V電壓供二次轉換電路使用。二次轉換電路主要由電壓變換電路等構成，將輸入的12 V電壓經過電壓轉換電路輸出5 V電壓，再將5 V電壓經過電壓變換電路轉換成3.3 V、1.8 V以及1.2 V的電壓。電源轉換電路如圖2所示。

圖2 電源變換電路

電源轉換電路的主要功能是將輸入的電源轉換成參數采集系統所需的電壓，為MCU、CPLD、時鐘、運算放大器等供電。

2.4 信號調理電路

參數采集系統采集的信號類型有電壓信號、電流信號、頻率信號等，系統中模擬/數字（Analog/Digital，A/D）轉換芯片的電壓輸入范圍為0～5 V[3]。

2.4.1 電壓信號調理電路

大部分傳感器輸出的信號類型為電壓信號，電壓信號調理電路的目的是將輸入的電壓信號轉換為滿足模數轉換要求的電壓信號[4]。電壓信號調理電路主要包括低通濾波、電平轉換和數模轉換等部分，如圖3所示。

圖3 電壓信號調理電路

電壓信號調理電路的輸入電壓范圍為-10～+10 V，A/D芯片的輸入電壓為0～5 V，因此放大器的供電電壓設置為為5 V。輸入的電壓信號經過電平轉換電路后，由模數轉換電路采集。

2.4.2 電流信號調理電路

部分傳感器輸出的信號類型為直流電流信號，直流電流信號調理電路的目的是將輸入的直流電流信號轉換為滿足模數轉換要求的電壓信號[5]。電流信號調理電路主要包括低通濾波、電流-電壓轉換和電平轉換等部分，如圖4所示。

圖4 電流信號調理電路

直流電流信號調理電路的直流電流輸入范圍為4～20 mA，電流輸入信號經過電阻轉換為電壓信號，經過電平轉換電路后由數模轉換電路采集。此電路的精度主要取決于電阻，因此需要進行增益和失調校準，以消除標準值替代和電阻容差導致的誤差。

2.4.3 頻率信號調理電路

頻率信號調理電路的主要目的是將頻率信號轉換成同頻率的方波信號，滿足MCU的采集需求[6]。頻率信號調理電路主要包括開路檢測、濾波電路、差分放大以及比較電路等部分，如圖5所示。

圖5 頻率信號調理電路

當出現開路故障時，需要輸入遠大于門限值的電壓，實現開路故障的檢測。濾波電路主要實現所需采集頻率范圍內的信號采集，濾除所需采集頻率范圍外的信號。差分放大電路和比較電路主要是將采集的信號放大，提高輸出信號的抗干擾能力，由比較電路輸出供MCU采集的方波信號。

2.5 A/D采集電路

A/D采集電路能將模擬量轉換為數字量，并發送給MCU處理。采用高精度、低功耗、低噪聲的A/D轉換芯片AD7656，該芯片支持6路雙極性模擬量輸入，采用高速串行接口（Serial Peripheral Interface，SPI）通信。通過MCU控制A/D采集電路，之后通過SPI接口向MCU發送采集數據，由外部時鐘源提供系統時鐘[7,8]。

2.6 通信總線電路

選用FlexRay總線，其具備故障容錯能力，可以應用在無源總線和星形拓撲結構中，不僅節約了成本，還降低了復雜性。FlexRay總線支持雙通道，提高了通信總線的可靠性，每個通道的最大傳輸速度可達10 Mb/s。

3 軟件設計

參數采集系統軟件主要實現系統資源的初始化、采集數據的解析處理以及系統周期自檢測，由看門狗程序持續監控軟件運行情況，當發生異常情況時將軟件復位[9]。

4 測 試

在常溫實驗室環境下，利用信號發生器等設備輸出激勵信號供參數采集系統采集，模擬實際工作狀態，對參數采集系統的精度進行測試[10]。每個通道和每種輸入均測試5次，求取平均值，測試結果如表1、表2以及表3所示。

表1 電壓信號采集測試結果

表2 電流信號采集測試結果

表3 頻率信號采集測試結果

5 結 論

選用高性能微處理器、高精度信號調理電路以及FlexRay總線構建高精度、高可靠性的參數采集系統，通過模塊化、通用化等方法進行合理設計，提高了系統的可靠性和可擴展性。目前，此系統已完成生產、調試，各項測試結果表明其能夠很好地完成各類信號采集與處理，精度達到預期要求。