用于飛行器分離測速的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)
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1 多通道并行高速數(shù)據(jù)采集卡 6路并行零相差高速數(shù)據(jù)采集卡主要用來對(duì)均勻分布于分離截面的6速度傳感器信號(hào)進(jìn)行采集。它主要包括可編程衰減放大器、高速D/A轉(zhuǎn)換器、FPGA門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(shù)據(jù)采集卡的技術(shù)指標(biāo) （1）通道數(shù)：6個(gè)； （2）采樣頻率：1MHz； （3）數(shù)據(jù)分辨率：12位； （4）大容量數(shù)據(jù)緩存：2%26;#215;512K%26;#215;12bits乒乓緩存，連續(xù)不間斷采樣數(shù)據(jù)量以主控微機(jī)可用內(nèi)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(xù)可調(diào)； （6）模擬信號(hào)帶寬：500kHz； （7）模擬信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍：0～12V； （8）負(fù)延時(shí)長度：0～256KB即0～256ms可選； （9）計(jì)算機(jī)接口：PCI接口。 1.2 6通道數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì) 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(hào)適當(dāng)衰減后（衰減比例為4），送入寬帶視頻放大器放大，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)通道的A/D轉(zhuǎn)換器。由于傳感器信號(hào)的幅度高達(dá)12V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了A/D轉(zhuǎn)換器所以接受的2.5V的動(dòng)態(tài)范圍，因此設(shè)計(jì)了衰減電路，其衰減由RC衰減網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。
1.2.2 6路并行A/D轉(zhuǎn)換器 為了采集6路并行的位移傳感器信號(hào)，系統(tǒng)需要6路并行的A/D轉(zhuǎn)換電路。本系統(tǒng)采用了美國ANALOG DEVICE公司的12位高速單片A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9221作為A/D電路的核心器件。AD9221具有睡內(nèi)采樣保持電路以及低溫度飄移系數(shù)的基準(zhǔn)電源，僅以單一的+5V電源工作。它的無雜散動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB，很適合本系統(tǒng)的要求；同時(shí)高速A/D電路的模擬信號(hào)輸入采用單電源的緩沖運(yùn)算放大器，避免了毀滅性的ADC過激勵(lì)。模擬信號(hào)緩沖及輸入電路見圖3。 1.2.3 FPGA門陣列邏輯控制電路 由于FPGA門陣列能夠很好地提高系統(tǒng)的集成度和可靠性，本采集卡運(yùn)用了一片超大規(guī)模門陣列完成了系統(tǒng)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系列的門陣列，具有多達(dá)3萬門可用資源。豐富的內(nèi)部互連資源及512個(gè)宏單元中所包括的1024觸發(fā)器能夠很好地滿足本系統(tǒng)的需求。該FPGA芯片主要完成的功能包括：計(jì)算機(jī)PCI接口電路、高速數(shù)據(jù)通道、采樣控制電路，其內(nèi)部原理框爐膛見圖4。
本采集系統(tǒng)的并行通道多達(dá)6個(gè)。為了更好地利用緩沖存儲(chǔ)器，設(shè)計(jì)中運(yùn)用FPGA產(chǎn)生多路到一路的高速數(shù)據(jù)通道，把6個(gè)速率為1MHz的12位數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為一路乒乓切換的24位數(shù)據(jù)流，時(shí)序見圖5。 采集卡的PCI接口控制電路采用了專用接口電路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(yīng)S5933訪問的ADD-ON總線邏輯被集成于FPGA內(nèi)部，并可根據(jù)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)可重構(gòu)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(jī)的兩塊內(nèi)存，響應(yīng)主控PATH-THROGH方式以單次或猝發(fā)連續(xù)模式讀取采集卡上的數(shù)據(jù)；同時(shí)還響應(yīng)主機(jī)根據(jù)S5933所設(shè)置的I/O端口訪問，主控軟件通過這樣的端口訪問實(shí)現(xiàn)對(duì)采集卡的配置、控制和狀態(tài)查詢以及響應(yīng)采集卡的中斷請(qǐng)求。 1.2.4 大容量緩沖存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì) 在飛行器實(shí)驗(yàn)中，需要長時(shí)間不間斷地采集分離信息。一般來說，采樣時(shí)間不少于10s?？梢钥吹?，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)量相當(dāng)巨大，大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器必不可少。解決這一問題有兩個(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(jī)的內(nèi)存。峰值速率高達(dá)33M%26;#215;32bits的PCI總線速度遠(yuǎn)大于采樣的數(shù)據(jù)率，因此可以利用主機(jī)內(nèi)存作為長時(shí)存儲(chǔ)器。采集卡上必須有能采集并同時(shí)被主機(jī)訪問的緩存器，因此設(shè)計(jì)了雙路乒乓切換的大容量數(shù)據(jù)緩存器。
采集卡所選用的存儲(chǔ)器為HM628512。這是一種容量為512K%26;#215;8位的高速靜態(tài)存儲(chǔ)器，其讀寫周期僅為20ns，可以較好地滿足系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量、高速存儲(chǔ)的要求。在電路構(gòu)成上，設(shè)計(jì)了兩路存儲(chǔ)器（A路、B路），通過FPGA提供的讀寫信號(hào)（OE、WE、CE）構(gòu)成“乒乓開關(guān)”式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的好處在于對(duì)一組存儲(chǔ)器進(jìn)行寫操作（即處于采集工作狀態(tài)）θ的同時(shí)，主機(jī)對(duì)另外一組存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作（即采集器向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)）。這樣，使得采集器采集數(shù)據(jù)與傳輸數(shù)據(jù)能同時(shí)進(jìn)行，使系統(tǒng)能不間斷地采集數(shù)據(jù)，從而滿足長時(shí)測速要求。 6通道A/D轉(zhuǎn)換后組合成24位數(shù)據(jù)輸出，每路需要用3片HM628512構(gòu)成512K%26;#215;24bits的緩存器。兩路各3片HM628512的地址信號(hào)及控制信號(hào)都由FPGA給出。同一路的3片存儲(chǔ)器以位擴(kuò)展的方式連接在一起，共用一組地址線，數(shù)據(jù)線分開。為了實(shí)現(xiàn)兩組存儲(chǔ)器同時(shí)進(jìn)行讀寫操作，需要將數(shù)據(jù)輸入總線和輸出總線隔離。采用FPGA進(jìn)行地址發(fā)生及邏輯控制，極大地減小了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。雙路存儲(chǔ)器（A路，B路）的構(gòu)成原理框圖如圖6。 1.2.5 PCI接口電路 PCI總線近年來迅速推廣并已成為PC機(jī)主流總線。它是一種局部總線，通過主橋路掛接到主CPU上。它是獨(dú)立于處理器的同步總線，支持總線主控和猝發(fā)方式傳送，數(shù)據(jù)/地址寬度為32位/64位，總線時(shí)鐘頻率0～33MHz，靈活配置并支持即插即用。而它的寬數(shù)據(jù)位、高位輸數(shù)據(jù)率、多種運(yùn)用方式為計(jì)算機(jī)外設(shè)與主機(jī)的高速信息交換帶來了極大的便利。
PCI總線有著嚴(yán)格的電氣規(guī)范和時(shí)序要求，完全獨(dú)立自主開基于PCI總線的接口電路有一定的難度。因此在PCI總線與數(shù)據(jù)采集器傳輸數(shù)據(jù)總線之間需要一個(gè)總線接口控制器。本采集系統(tǒng)接口電路選用了美國AMCC公司提供的通用PCI總線橋接口S5933。S5933支持2.1版PCI協(xié)議，達(dá)到132MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。具有8/16/32bit擴(kuò)展總線寬度、4個(gè)可編程的高速數(shù)據(jù)通道、2個(gè)32Byte支持猝發(fā)方式的FIFOS、主動(dòng)或被動(dòng)的用戶擴(kuò)展總線、兼容即插即用技術(shù)、通過郵箱的讀寫中斷、PCI總線與用戶擴(kuò)展總線之間的中斷信號(hào)直接互連。在本采集系統(tǒng)中，采用S5933的PATH-THROGH方式進(jìn)行采集卡與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換，通過郵箱發(fā)送采集卡給主機(jī)的中斷申請(qǐng)，兩塊緩沖存儲(chǔ)器分別映射為主機(jī)的兩塊內(nèi)存。采集卡占用主機(jī)的內(nèi)存、端口及中斷資源見表1。表1 采集卡占用主機(jī)的內(nèi)存、端口及中斷資源 映射內(nèi)存BASE0映射內(nèi)存BASE1映射內(nèi)存BASE2映射端口BASE3映射端口BASE4郵箱中斷配置S5933A路緩沖存儲(chǔ)器512K%26;#215;24bitsB路緩沖存儲(chǔ)器512K%26;#215;24bits設(shè)置采集卡端口1設(shè)置采集卡端口2中斷122 系統(tǒng)主控分析軟件的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主控分析軟件是利用VC++語言編寫而成的，包括以下幾個(gè)功能模塊：PCI接口虛擬驅(qū)動(dòng)程序、采集器初始化子程序、采集控制子程序、內(nèi)存管理子程序、波形顯示及數(shù)據(jù)處理子程序。 本測速系統(tǒng)軟件基于Windows98操作系統(tǒng)運(yùn)行。Win98系統(tǒng)禁止對(duì)底層硬件資源直接進(jìn)行訪問。應(yīng)用程序必須通過虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來訪問硬件資源，因此本采集卡需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序支持。VxD(Virtual Device Driver)是用來擴(kuò)展Windows操作系統(tǒng)功能的一類程序。它最初用來支持硬件設(shè)備的管理，以DLL的形式鏈入Windows操作系統(tǒng)的核心層（ring 0）。VxD主要解決不能被ring 3層應(yīng)用程序處理的一系列問題。Win9x系統(tǒng)的核心（Kernel）由虛擬機(jī)管理器（VMM）和VxD的集合組成。Kernel提供了900多個(gè)服務(wù)函數(shù)來管理內(nèi)存、控制物理設(shè)備、處理中斷管理文件系統(tǒng)等。這些服務(wù)函數(shù)都可由自己編的VxD調(diào)用。多路采集卡驅(qū)動(dòng)程序利用Vireo Software公司的VtoolsD工具及VC++編寫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集卡內(nèi)存的訪問以及響應(yīng)采集卡的中斷請(qǐng)求。
采集器初始化子程序用來對(duì)采集器進(jìn)行初始化設(shè)置，可以對(duì)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(dú)采集）、負(fù)延時(shí)長短等進(jìn)行編程。采集控制子程序?qū)Σ杉^程進(jìn)行控制，采集開始地啟動(dòng)采集器進(jìn)行負(fù)延時(shí)采集，在分離開始后控制采集卡完成整個(gè)采集過程。波形顯示及數(shù)據(jù)處理子程序則對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得分離速度信息，把采集到的數(shù)據(jù)波形在微機(jī)上復(fù)制，并顯示分離速度曲線。 3 數(shù)據(jù)算是及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過平滑等預(yù)處理后，可以得到飛行器分離的速度及加速度數(shù)據(jù)，飛行器分離的速度曲線見圖7、圖8，加速度曲線見圖9。結(jié)果表明，測速系統(tǒng)在測量精度上比高速攝像機(jī)提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，更好地保證了飛行器的地面實(shí)驗(yàn)。配以不同的傳感器以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理分析軟件，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于不同的測量分析領(lǐng)域，具有良好的可移植性和可擴(kuò)展性。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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