多路隔离信号采集存储系统设计

刘 欣 翟成瑞 张会新

（中北大学电子测试技术国家重点实验室1，山西 太原 030051；中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室2，山西 太原 030051）

多路隔离信号采集存储系统设计

刘 欣1，2翟成瑞1，2张会新1，2

（中北大学电子测试技术国家重点实验室1，山西 太原 030051；中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室2，山西 太原 030051）

为采集飞行器落地瞬间两路隔离电压参数与一路PCM码流数据参数，采用“信号全隔离”思想，在电源隔离的同时使用光耦隔离芯片HCNR201对两路模拟电压速变量信号进行光耦隔离。系统采用Xilinx公司Vertex-II系列器件作为FPGA，以光继电器AQY210为选通开关，ADS8365作为模数转换器，经过FPGA混合编帧处理后将数据写入Flash中，存储数据完整可靠，模拟量波形稳定。实践证明，该系统可以成功隔离并采集到多路信号，满足设计需求。

信号全隔离 模拟信号 数字信号 HCNR201 FPGA 混合编帧

0 引言

航天遥测系统中各个测量信号能够使工作人员掌握飞行器内部的环境数据和工作状态，为飞行器的整体性能和故障分析提供实时可靠的依据，使其得到进一步的改进和提高。如何采集并存储这些测量信号参数显得尤为重要［1－2］。本设计要求采集并存储多路模拟信号与脉冲编码调制（pulse codemodulation，PCM）串行数据信号，并且多路信号之间要求彼此隔离，互不干涉，从而得到该飞行器测量所需重要参数。

1 总体方案设计

以模块化、电路最简化、高可靠性为原则，对数据采集存储系统进行了专门设计。系统固态存储器、地面测试台、计算机共同组成数据采集存储系统。系统组成框图如图1所示。系统供电采用模拟部分和数字部分独立供电方式，避免模拟、数字两部分之间供电干扰，导致信号传输质量的下降。系统采用变压器隔离原理，实现模拟、数字部分接地点各电路之间的电气连接隔离；利用光电隔离实现多路开关数字选通信号之间的隔离。系统采用光隔继电器HCNR201进行各模拟输入通道之间的隔离，不影响正常PCM码流的存储［3］。

本文采用“信号全隔离”思想，主要包括信号隔离和电源隔离。采用线性光耦构成模拟信号光耦隔离电路，对自检模式下地面测试台输入或者整机联试模式下系统输出的两路模拟电压速变量信号进行隔离。其中，两路模拟电压信号与数据综合控制器输出的PCM数据量信号相隔离，两路模拟电压信号之间亦保证隔离。两路模拟量信号由测量装置隔离、A/D变换与采样后，直接存储于测量装置存储器内部。存储这两路参数的同时亦不能影响正常PCM码流的数据存储。对于存储系统的电源模块，设计采用遥测系统供电与存储装置自供电两种方式下的智能选择供电。此外，为避免在飞行器落地瞬间的较大冲击造成系统整体断电，无法为存储器正常的采集存储供电，除依靠遥测系统输出的二次电源供电外，在测量装置中设计了自供电模块。

“控制解保”不带电常开触点信号即可作为固态存储器自带电池的供电启动信号，用于确保完整采集到飞行器落地瞬间或者其他紧急断电时的多路隔离信号，使测量装置实现全机智能化供电。通过以上方式，确保存储系统在各类环境条件下均能可靠采集所需数据信号，且各路信号相互隔离，为进一步数据处理与分析奠定基础。

图1 采集存储系统组成框图Fig.1 Block diagram of composition of acquisition and storage system

2 硬件电路设计

采集存储系统由存储板和电源板构成其存储硬件组成电路。2路模拟输入信号分别通过光耦隔离芯片HCNR201完成光耦隔离，通过运算放大器OPA4340转换为0～5 V模拟电压信号，之后传入存储板中，由ADS8365采集［3］。同时，RS-422接口芯片DS26C32接收来自测试台的1路PCM数字量与1路“点火”信号。在完成FPGA模数混编后，通过内部FIFO高速传输将数据写入Flash中。其中，电源板接收来自测试台供给的28 V直流电源，待滤波后转为5 V直流电压，用于光电隔离电路和存储板电路的供电。

2.1 光耦隔离电路

系统中两路输入隔离电压为模拟量瞬变信号，信号分别经过线性光耦构成的光耦隔离电路后，由FPGA进行采编、存储［4］。本文采用Agilent公司的HCNR201完成两路模拟信号的线性隔离。两路隔离电压模拟输入信号在HCNR201中完成电压电流转化，即0～5 V瞬时输入电压的变化体现在电流上，进而实现电压隔离。一路光耦隔离电路原理图如图2所示。其中，在输入、输出端添加OPA4340运算放大器，以对电路进行放大、跟随，芯片所限供电电压为2.7～5.5 V。该光耦隔离电路系统的输入隔离电压信号为0～5V，满足OPA4340运算放大器的幅值区间要求。

图2 光耦隔离电路原理图Fig.2 Schematis of opto-coupler isolation circuit

下面对第一路输入电压模拟量+SIG_IN1的线性隔离进行计算。设光耦输入端电压为Uin，输出端电压为Uout，光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2，K1与K2约为0.50％，并且随温度变化较大，K3为K1、K2的线性比，运放输出端的电压为Uo。在运放不饱和的情况下，Uo0与Ui满足下面的关系：

式中：Ui为运放负端的输入电压；Uo为运放输出端的电压；Uo0为在运放输入差模为0时的输出电压；G为运放的增益。

由欧姆定律变换可得：

式中：IF为通过R3两端的电流。

由式（5）可得，光耦隔离电路中输入的隔离电压模拟信号与输出模拟电压值成正比。Uin的放大比例由R1、R2电阻值以及比例系数K3确定。由式（1）可知，K3的大小由K1、K2的比值所决定，当K1=K2时，K3=1。取R3=R5=180 kΩ，使得Uout=Uin，从而实现了模拟电压值只隔离不放大的设计要求。

2.2 选通开关电路

“控制解保”不带电常开触点信号可作为两路隔离电压测量的启动信号。文中采用光MOS继电器AQY210构成选通开关硬件电路，控制“控制解保”命令开关［5］。

固态存储器实时接收到控制解保信号后，常开触点变为常闭，解保信号由“0”变为“1”并保持。作为遥测启动时序，控制解保信号的发生直接决定着模拟量的启动采样。之后，现场可编程逻辑阵列（FPGA）控制A/D转换启动采集，经编帧处理后进行存储记录。

“控制解保”选通开关硬件设计电路如图3所示。

图3 选通开关电路Fig.3 The strobe switching circuit

3 FPGA逻辑设计

测量装置的采集存储采取智能模式。当系统加电后60 s内未收到测试台下发的控制命令时，系统自动开始记录；当收到“点火”指令后600 s时，系统自动停止记录。如收到“读数”、“擦除”等命令，则只响应测试设备的命令。在数据记录状态，FPGA通过RS-422接口采集接收PCM码流信号，编码后写入FPGA内部先进先出（first in first out，FIFO）中缓存。待接收到“控制解保”命令后，选通开关AQY210置高，A/D采集模拟量，编帧处理后缓存写入相应内部FIFO中［6］。待FPGA分别从以上内部FIFO中读取数据并混合编帧处理后，数据写入Flash存储单元内。FPGA整体逻辑设计流程如图4所示。

图4 FPGA逻辑设计流程图Fig.4 Design flowchart of FPGA logic

4 数模混编逻辑设计

FPGA将数字量和模拟量写入其内部FIFO之前，会先对其进行混合编帧［7－8］。首先判断“控制解保”信号是否下发，若接收到“解保”命令，则开始向FIFO中写入模拟量。开始记录模拟量信号后，FPGA从FIFO中连续读取模拟量数据，接着判断数字量并写入FIFO。连续读取两PCM数据并一同写入FPGA内部缓存FIFO中，待整理后转存写入Flash中。其中，模拟量与数字量需按一定的编帧格式进行处理，即分别在数据位加上帧头、帧尾、“点火”及“循环”等帧标志，如此轮循判断编帧，完成数模混合编码。数据帧结构如表1所示。

表1 数据帧结构Tab.1 Structure of the data frame

5 测试结果

测试结束后，上位机软件将采编到的数模混合编帧数据解包为PCM数字量与模拟量数据两部分。首先，分析PCM数据，数据完整、正确。之后将模拟量数据拆分为两通道，分别予以分析，并由上位机对采集到的模拟量进行绘图，得到电压幅值遍布0～5 V的模拟量波形，波形稳定、可靠。

6 结束语

本文设计的多路隔离信号采集存储系统，采用模块化设计思想与“信号全隔离”的技术方法，重点对多路信号隔离问题、模拟量调制开关应用、数字量/模拟量数据混合编帧等问题进行了设计与实现。通过反复测试应用表明，系统确保了遥测系统中固态存储器与测量综合控制器之间串行数据无误码可靠传输、多路隔离电压测量可靠启动和存储数据安全回收等，对新一代飞行器的研制和改进具有重要意义。

［1］张文栋.存储测试系统的设计理论及其应用［M］.北京：高等教育出版社，2002：140－150.

［2］孟祥娇.某测量系统数据记录器的设计及实现［D］.太原：中北大学，2013.

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［4］孟令军，李柱，于丽娜，等.一种隔离型数据采集方法［J］.计算机应用，2011（7）：64－67.

［5］高进，杨鹏毅，陆兆辉，等.基于FPGA的双向多路信号光纤传输组件设计［J］.电子技术，2012（10）：78－81.

［6］康伟，路秀芬，詹哲军.基于ADS8365的高速同步数据采集系统［J］.电脑开发与应用，2009，22（4）：48－49.

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［8］连恒兴，赵彩霞，沈三民，等.基于USB的多路数据读数接口的设计［J］.化工自动化及仪表，2012，38（8）：992－996.

Design of the Acquisition and Storage System for Multi-channel Isolated Signals

To acquire two channels of isolated voltage parameters and one channel of PCM code stream data parameter at the landingmomentof the aircrafts，the concept of“signal full isolation”is adopted.While in power supply isolation，the opto-coupling isolation chip HCNR201 is used to opto-coupling isolate two of the speed variable analog voltage signals.In the system，the device of Vertex-II family from Xilinx is used as the FPGA，the optical relay AQY210 is used as the strobe switch，and ADS8365 is used as A/D converter.After FPGA mixing framing processing，the data are written into Flash，the data saved are reliable and complete，and the analog waveform is stable.The practice proves that the system can successfully isolate and collectmultiple channels of signals，so the demand for design is satisfied.

Signal full isolation Analog signal Digital signal HCNR201 FPGA Mixed framing

TP391

A

资助项目（编号：51075375）。

修改稿收到日期：2014－01－22。

刘欣（1990－），女，现为中北大学测试计量技术及仪器专业在读硕士研究生；主要从事电路系统与数据采集方面的研究。