用于飛行器分離測速的數據采集處理系統

摘要：一種多路實(shí)時(shí)測速系統。該系統能在飛行器分離時(shí)間內把分布于分離截面的各個(gè)測速傳感器的信號采集至計算機內存，實(shí)時(shí)分析、處理得出飛行器分離過(guò)程的速度、加速度參數并得到整個(gè)的設計思想。實(shí)驗結果表明，該系統具有良好的和穩定性和精度。 關(guān)鍵詞：飛行器分離 測速 數據采集 飛行器飛行中的分離速度是指爆炸螺栓爆炸裂后，各級助推器之間以及助推器與載荷之間的分離速度，是飛行器的關(guān)鍵參數之一，直接決定了飛行器能否安全分離。因而在飛行器的地面試驗研究中，需要對飛行器分離速度進(jìn)行測量分析。傳統的測量方法是采用高速攝像機，飛行器分離時(shí)從各個(gè)角度進(jìn)行高速攝像，事后對圖像信號進(jìn)行處理，從而獲得飛行器分離的速度、加速度信息。但這種方式存在成本高、精度低、難以操作、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)。因此，隨著(zhù)飛行器試驗研究的不斷深入，迫切需要一種高精度、高性能價(jià)格比的測速系統。本文介紹了一種用于飛行器地面分離實(shí)驗的計算機測速系統，系統示意圖見(jiàn)圖1。該系統包括傳感器和計算機數據采集處理分析系統。多通道高速大容量數據采集處理分析系統是飛行器分離測速系統的關(guān)鍵部分。主要用于在飛行器分離時(shí)對均勻分布于飛行器分離截面的傳感器信息進(jìn)行6路并行零相差高速長(cháng)時(shí)間不間斷采集、實(shí)時(shí)或事后數據處理分析，從而得到飛行器分離的速度及加速度曲線(xiàn)。數據采集與處理系統由6通道數據采集卡、主控微機及系統主控、數據處理分析軟件構成。該系統已成功地用于某飛行器的地面試驗研究。1 多通道并行高速數據采集卡 6路并行零相差高速數據采集卡主要用來(lái)對均勻分布于分離截面的6速度傳感器信號進(jìn)行采集。它主要包括可編程衰減放大器、高速D/A轉換器、FPGA門(mén)陣列邏輯控制電路等幾部分。其原理框圖如圖2。1.1 多通道數據采集卡的技術(shù)指標 （1）通道數：6個(gè)； （2）采樣頻率：1MHz； （3）數據分辨率：12位； （4）大容量數據緩存：2%26;#215;512K%26;#215;12bits乒乓緩存，連續不間斷采樣數據量以主控微機可用內存為上限；（5）同步接口：任意通道觸發(fā)采集，觸發(fā)電平0～12V連續可調； （6）模擬信號帶寬：500kHz； （7）模擬信號動(dòng)態(tài)范圍：0～12V； （8）負延時(shí)長(cháng)度：0～256KB即0～256ms可選； （9）計算機接口：PCI接口。 1.2 6通道數據采集卡的設計 1.2.1 可編程衰減放大器 衰叛亂放大器將傳感器模擬信號適當衰減后（衰減比例為4），送入寬帶視頻放大器放大，驅動(dòng)相應通道的A/D轉換器。由于傳感器信號的幅度高達12V，遠遠超出了A/D轉換器所以接受的2.5V的動(dòng)態(tài)范圍，因此設計了衰減電路，其衰減由RC衰減網(wǎng)絡(luò )實(shí)現。1.2.2 6路并行A/D轉換器 為了采集6路并行的位移傳感器信號，系統需要6路并行的A/D轉換電路。本系統采用了美國ANALOG DEVICE公司的12位高速單片A/D轉換芯片AD9221作為A/D電路的核心器件。AD9221具有睡內采樣保持電路以及低溫度飄移系數的基準電源，僅以單一的+5V電源工作。它的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍可達80dB，很適合本系統的要求；同時(shí)高速A/D電路的模擬信號輸入采用單電源的緩沖運算放大器，避免了毀滅性的ADC過(guò)激勵。模擬信號緩沖及輸入電路見(jiàn)圖3。 1.2.3 FPGA門(mén)陣列邏輯控制電路 由于FPGA門(mén)陣列能夠很好地提高系統的集成度和可靠性，本采集卡運用了一片超大規模門(mén)陣列完成了系統的邏輯控制。采用美國XILINX公司的基于SRAM技術(shù)的FPGA芯片XCS30。XCS30是XILINX公司SPATAN系列的門(mén)陣列，具有多達3萬(wàn)門(mén)可用資源。豐富的內部互連資源及512個(gè)宏單元中所包括的1024觸發(fā)器能夠很好地滿(mǎn)足本系統的需求。該FPGA芯片主要完成的功能包括：計算機PCI接口電路、高速數據通道、采樣控制電路，其內部原理框爐膛見(jiàn)圖4。本采集系統的并行通道多達6個(gè)。為了更好地利用緩沖存儲器，設計中運用FPGA產(chǎn)生多路到一路的高速數據通道，把6個(gè)速率為1MHz的12位數據流轉換為一路乒乓切換的24位數據流，時(shí)序見(jiàn)圖5。 采集卡的PCI接口控制電路采用了專(zhuān)用接口電路S5933。外圍電路僅僅需要與S5933通信，得益于FPGA良好的可編程性，所有響應S5933訪(fǎng)問(wèn)的ADD-ON總線(xiàn)邏輯被集成于FPGA內部，并可根據需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)可重構配置，以完成各種不同的功能。FPGA配合S5933的時(shí)序把采集卡上的兩塊緩存映射為PC機的兩塊內存，響應主控PATH-THROGH方式以單次或猝發(fā)連續模式讀取采集卡上的數據；同時(shí)還響應主機根據S5933所設置的I/O端口訪(fǎng)問(wèn)，主控軟件通過(guò)這樣的端口訪(fǎng)問(wèn)實(shí)現對采集卡的配置、控制和狀態(tài)查詢(xún)以及響應采集卡的中斷請求。 1.2.4 大容量緩沖存儲器的設計 在飛行器實(shí)驗中，需要長(cháng)時(shí)間不間斷地采集分離信息。一般來(lái)說(shuō)，采樣時(shí)間不少于10s?？梢钥吹?，實(shí)驗的數據量相當巨大，大容量的數據存儲器必不可少。解決這一問(wèn)題有兩個(gè)途徑：一是增大采集卡緩存器的容量，但大容量靜態(tài)RAM的成本較高；二是在接口速度足夠快的條件下利用容量較大的控制主機的內存。峰值速率高達33M%26;#215;32bits的PCI總線(xiàn)速度遠大于采樣的數據率，因此可以利用主機內存作為長(cháng)時(shí)存儲器。采集卡上必須有能采集并同時(shí)被主機訪(fǎng)問(wèn)的緩存器，因此設計了雙路乒乓切換的大容量數據緩存器。采集卡所選用的存儲器為HM628512。這是一種容量為512K%26;#215;8位的高速靜態(tài)存儲器，其讀寫(xiě)周期僅為20ns，可以較好地滿(mǎn)足系統大數據量、高速存儲的要求。在電路構成上，設計了兩路存儲器（A路、B路），通過(guò)FPGA提供的讀寫(xiě)信號（OE、WE、CE）構成“乒乓開(kāi)關(guān)”式結構。這種結構的好處在于對一組存儲器進(jìn)行寫(xiě)操作（即處于采集工作狀態(tài)）θ的同時(shí)，主機對另外一組存儲器進(jìn)行讀操作（即采集器向主機傳輸數據）。這樣，使得采集器采集數據與傳輸數據能同時(shí)進(jìn)行，使系統能不間斷地采集數據，從而滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)測速要求。 6通道A/D轉換后組合成24位數據輸出，每路需要用3片HM628512構成512K%26;#215;24bits的緩存器。兩路各3片HM628512的地址信號及控制信號都由FPGA給出。同一路的3片存儲器以位擴展的方式連接在一起，共用一組地址線(xiàn)，數據線(xiàn)分開(kāi)。為了實(shí)現兩組存儲器同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，需要將數據輸入總線(xiàn)和輸出總線(xiàn)隔離。采用FPGA進(jìn)行地址發(fā)生及邏輯控制，極大地減小了系統設計的難度。雙路存儲器（A路，B路）的構成原理框圖如圖6。 1.2.5 PCI接口電路 PCI總線(xiàn)近年來(lái)迅速推廣并已成為PC機主流總線(xiàn)。它是一種局部總線(xiàn)，通過(guò)主橋路掛接到主CPU上。它是獨立于處理器的同步總線(xiàn)，支持總線(xiàn)主控和猝發(fā)方式傳送，數據/地址寬度為32位/64位，總線(xiàn)時(shí)鐘頻率0～33MHz，靈活配置并支持即插即用。而它的寬數據位、高位輸數據率、多種運用方式為計算機外設與主機的高速信息交換帶來(lái)了極大的便利。PCI總線(xiàn)有著(zhù)嚴格的電氣規范和時(shí)序要求，完全獨立自主開(kāi)基于PCI總線(xiàn)的接口電路有一定的難度。因此在PCI總線(xiàn)與數據采集器傳輸數據總線(xiàn)之間需要一個(gè)總線(xiàn)接口控制器。本采集系統接口電路選用了美國AMCC公司提供的通用PCI總線(xiàn)橋接口S5933。S5933支持2.1版PCI協(xié)議，達到132MB/s的數據傳輸速率。具有8/16/32bit擴展總線(xiàn)寬度、4個(gè)可編程的高速數據通道、2個(gè)32Byte支持猝發(fā)方式的FIFOS、主動(dòng)或被動(dòng)的用戶(hù)擴展總線(xiàn)、兼容即插即用技術(shù)、通過(guò)郵箱的讀寫(xiě)中斷、PCI總線(xiàn)與用戶(hù)擴展總線(xiàn)之間的中斷信號直接互連。在本采集系統中，采用S5933的PATH-THROGH方式進(jìn)行采集卡與主機的數據交換，通過(guò)郵箱發(fā)送采集卡給主機的中斷申請，兩塊緩沖存儲器分別映射為主機的兩塊內存。采集卡占用主機的內存、端口及中斷資源見(jiàn)表1。表1 采集卡占用主機的內存、端口及中斷資源 映射內存BASE0映射內存BASE1映射內存BASE2映射端口BASE3映射端口BASE4郵箱中斷配置S5933A路緩沖存儲器512K%26;#215;24bitsB路緩沖存儲器512K%26;#215;24bits設置采集卡端口1設置采集卡端口2中斷122 系統主控分析軟件的設計 系統主控分析軟件是利用VC++語(yǔ)言編寫(xiě)而成的，包括以下幾個(gè)功能模塊：PCI接口虛擬驅動(dòng)程序、采集器初始化子程序、采集控制子程序、內存管理子程序、波形顯示及數據處理子程序。 本測速系統軟件基于Windows98操作系統運行。Win98系統禁止對底層硬件資源直接進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。應用程序必須通過(guò)虛擬設備驅動(dòng)程序來(lái)訪(fǎng)問(wèn)硬件資源，因此本采集卡需要相應的驅動(dòng)程序支持。VxD(Virtual Device Driver)是用來(lái)擴展Windows操作系統功能的一類(lèi)程序。它最初用來(lái)支持硬件設備的管理，以DLL的形式鏈入Windows操作系統的核心層（ring 0）。VxD主要解決不能被ring 3層應用程序處理的一系列問(wèn)題。Win9x系統的核心（Kernel）由虛擬機管理器（VMM）和VxD的集合組成。Kernel提供了900多個(gè)服務(wù)函數來(lái)管理內存、控制物理設備、處理中斷管理文件系統等。這些服務(wù)函數都可由自己編的VxD調用。多路采集卡驅動(dòng)程序利用Vireo Software公司的VtoolsD工具及VC++編寫(xiě)，實(shí)現了對采集卡內存的訪(fǎng)問(wèn)以及響應采集卡的中斷請求。采集器初始化子程序用來(lái)對采集器進(jìn)行初始化設置，可以對采集器的衰減化、采樣模式（某幾個(gè)通道輪巡或某個(gè)通道單獨采集）、負延時(shí)長(cháng)短等進(jìn)行編程。采集控制子程序對采集過(guò)程進(jìn)行控制，采集開(kāi)始地啟動(dòng)采集器進(jìn)行負延時(shí)采集，在分離開(kāi)始后控制采集卡完成整個(gè)采集過(guò)程。波形顯示及數據處理子程序則對采集到的數據進(jìn)行處理獲得分離速度信息，把采集到的數據波形在微機上復制，并顯示分離速度曲線(xiàn)。 3 數據算是及實(shí)驗結果 實(shí)驗中采集到的數據經(jīng)過(guò)平滑等預處理后，可以得到飛行器分離的速度及加速度數據，飛行器分離的速度曲線(xiàn)見(jiàn)圖7、圖8，加速度曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。結果表明，測速系統在測量精度上比高速攝像機提高了兩個(gè)數量級，更好地保證了飛行器的地面實(shí)驗。配以不同的傳感器以及相應的數據處理分析軟件，該系統可以應用于不同的測量分析領(lǐng)域，具有良好的可移植性和可擴展性。 linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）