基于FPGA的侵彻过程数据采集系统设计*

郝天琪，崔建利，李　策，张斌珍*

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



基于FPGA的侵彻过程数据采集系统设计*

郝天琪2，崔建利1，李策1，张斌珍1*

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

摘要：针对传统侵彻过程数据处理繁琐、采集效率低的不足，设计了一套基于FPGA的3轴高g值传感器数据解算自动采集系统。采用以XC3S400为主控单元，MATLAB-GUI作为上位机软件开发平台完成数据采集、解算。传感器产生电压信号经过主放大器INA827芯片，通过A/D转换器AD7934采样，将采样后信号存储到Flash中，经由FT2232C芯片通过USB传回计算机进行数据解算。通过实际测试验证，该系统不仅可以满足侵彻过程中数据的实时采集存储的要求，同时完成了侵彻过程数据处理解算。将数据采集与解算集成，提高了侵彻过程解算效率。

关键词：FPGA；侵彻；INA827；MATLAB

项目来源：国家自然科学基金项目（50905169）

侵彻、贯穿过程问题的研究与军事、科技、国民经济发展密切相关，其中弹体侵彻过程是十分复杂的力学现象。为了实现弹体功能的最优化，达到对目标的最大摧毁效果，就要求获取弹体侵彻过程中的加速度信号，并对采集的信号数据进行解算［1-3］。目前，侵彻过程的解算主要以弹载存储器进行数据采集存储，采用VB、Visual Studio+QT等作为上位机软件开发平台，最后使用Origin、Matlab等软件进行数据解算。虽然解决了侵彻过程的数据解算，但是面对大量数据不但效率低，而且数据处理也甚为繁琐。

FPGA具有时钟频率高、控制周期短、执行速度快、灵活性强、通用能力好等优点［4，5］，结合USB芯片FT2232C具有热插拔、速度快和外设容量大以及便携等特性，以AD7934作为A/D采集模块组成数据采集系统。利用MATLAB-GUI处理数据能力强，开发周期短的优点作为上位机软件开发平台不仅可以完成上位机的功能，也集成数据解算功能［6］。与传统侵彻过程解算相比，具有操作简单、效率高的优势。

1　系统总体设计

侵彻过程数据采集系统组成如图1所示。电源模块将7.4 V锂电池和4.5 V氧化银电池转化成2.5 V、3.3 V电压后，为系统各模块、芯片供电。根据系统的需求，选择Xilinx公司生产的FPGA芯片XC3S400作为主控单元完成对采集存储模块的采集、控制和传输的时序控制。并以XCF01S为配置芯片，由25MHz的外部晶振提供时钟信号，主要有前信号调理预处理、数据采集存储和数据传输等部分组成。

图1　系统结构框图

弹体侵彻的模拟信号，通过信号调理预处理经过A/D采集模块，FPGA控制A/D转换器对输入模拟信号进行模数转换、采集，并按照一定格式存入存储器中。上位机通过USB通信接口芯片FT2232C上传至计算机中，完成数据解算。

2　系统硬件组成

2.1数据采集模块

系统使用ADI公司的AD7934芯片逐次逼近型（SAR）模数转换器，内置一个低噪声、宽带宽、差分采样保持放大器，可处理最高达50 MHz的输入频率［7-8］，一次完成12 bit模数转换，具有高速、低功耗、最高吞吐量1.5 Msample/s的优点。设计中使用电源模块提供的3.3 V供电，REF引脚外接一个精确的3.3V电压源用作模数转换的基准电压将转换量程设置为0~3.3 V。使用外部提供25 MHz时钟信号，采样率达300 kHz。AD7934的工作时序如图2所示。

图2　AD7934工作时序图

2.2数据传输模块

系统数据传输接口采用的是FTDI公司的一款USB到UART/FIFO的转换电路FT2232C。FT2232C具有两个多用途的UART/FIFO控制器，可分别配置成不同的工作模式。一个USB下游端口转换成两个I/O通道，每个I/O通道相当一个FT232BM或FT245BM，可以单独配置成UART接口或者FIFO接口。通过对外挂EEPROM的配置，FT2232C还提供一系列新的操作模式，如多协议同步串行机接口［9］。FT2232C只需添加简单配置电路，便可实现由单电路到双通道串/并口的转换，集成了全部USB处理协议，使用时不需要另外编写USB固件程序2个I/O通道（A/B）相互独立，可配置成2个5 V、2个3.3 V或一个5 V、一个3.3 V的逻辑I/O接口，FT2232C发送数据的速率为300~1 Mbit/s或3Mbs。FT2232C通过8 bit并行接口与FPGA微控制器外设接口连接，实现信息和数据的交换，上位机通过USB接口与FT2232C传输数据。PC通信时只需安装FTDI公司提供的官方驱动程序，简单的MATLAB-GUI、VB、VC编程进行上位机软件开发。FT2232C的外围电路如图3所示。

图3　FT2232C的外围电路

3　系统软件设计

上位机软件采用MATLAB-GUI的开饭平台，运用M语言编写程序，通过FT2232C芯片与存储器进行通信，完成数据采集。如图4所示为上位机的人机交换界面，可以实现数据采集、数据存储、完成数据解算的功能。

图4　上位机软件人机界面

配置好上位机的USB通信端口，选择数据存储路径后，点击数据装载，系统将按照指定的参数采集数据，同时校验数据的完整度以及，最终画出侵彻过程中的数据图，并画出FFT后的图形。完成数据装载后，根据得到的FFT图像，选择适当的滤波截止频率对实测信号进行滤波分析，并解算侵彻过程中的速度、位移信息，画出速度、位移与时间的历程图。上位机的流程图如图5所示。

图5　上位机软件流程图

4　实验验证

以某次炮击实验中使用该系统进行数据采集，解算弹体侵彻过程。通过上位机软件分析采集的数据，解算得到侵彻过程结果如图6所示。系统解算得到弹体侵彻过程结果与实验中激光测量基本一致。

图6　系统实测

5　结束语

基于FPGA设计的侵彻过程数据采集系统，使用MATLAB-GUI将数据采集和侵彻过程解算集成到上位机中，实现X、Y、Z，3轴信号同时采集，不仅满足了侵彻信号采集对系统高采样率、高精度的要求，同时利用简洁的人机交换界面完成对侵彻过程的数据处理，方便用户操作，具有很高的实际应用价值。

参考文献：

［1］余尚江，杨吉祥，李科杰，等.射弹侵彻过载测试发展综述［J］.防护工程，2005，9（5）：75-79.

［2］黄家蓉，刘瑞朝，何翔，等.侵彻过载测试信号的数据处理方法［J］.爆炸与冲击，2009，29（5）：555-560.

［3］黄峥.国外兵器遥测技术的发展现状及国内兵器遥测技术发展的需求［J］.探测与控制学报，2000，22（1）：3-5.

［4］王辉，陈爱生.基于FT2232H的USB2.0数据采集系统设计［J］.电子器件，2015，38（1）：144-147.

［5］常高嘉，冯全源.基于FPGA的高速数据采集系统的设计与实现［J］.电子器件，2012，35（5）：615-618.

［6］付俊庆，李凤玲. MATLAB环境下的实时数据采集方法［J］.测控技术2004，23（1）：30-32.

［7］黄容兰，万徳焕.基于FPGA的A/D转换采集控制模块设计［J］.数据采集与处理，2009，24（S）：237-240.

［8］杨小勇，葛彦麟，毛瑞娟.基于FPGA+A/D的数据采集设计及验证［J］.西安邮电学院学报，2011，16（1）：98-102.

［9］吴振宇，常玉保，冯林.基于FPGA和USB2.0的高速数据采集系统［J］.仪器仪表学报，2006，27（6）：125-126.

郝天琪（1992-），男，汉族，中北大学硕士研究生，主要研究方向现代测试技术，384047315@qq.com；张斌珍（1974-），男，山西岚县人，教授，主要研究方向为微纳机电系统和武器系统恶劣环境下的动态测试技术在此领域内先后开展微纳器件和系统的设计制造，微弱信号检测与处理，以及恶劣环境下存储测试理论与技术的研究。

The Monitoring System of CAN Bus Based on DSP and FPGA*

GAO Yang1，LI Yonghong1*，YUE Fengying2，JIN Zhikun3，MA Shaoxuan4

（1.School of Instrument and Electronics，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.School of Computer Science and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.Beijing Laborman Science Co.，Ltd，Beijing 10070，China；4.Inner Mongolia Mengdong Energy Ewenke Power Plant Hulunbeier，Inner Mongolia 021000，China）

Abstract：In order to acquire and conduct real-time monitoring CAN bus data of each node in a certain weapon sys⁃tem，CAN bus monitoring system based on FPGA and DSP is designed. The CAN2.0B protocol is used for transfer⁃ring two channels CAN bus data in this system. The experimental results indicate that this system can function prop⁃erly by 1 000 kbit/s and has good real-time performance，strong anti-interference ability. It can measure and ac⁃quire accurately the parameters of the weapon system.

Key words：real-time monitoring；data acquisition；CANbus；FPGA；DSP

doi：EEACC：721010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.034

收稿日期：2015-03-25修改日期：2015-04-20

中图分类号：TN70

文献标识码：A

文章编号：1005-9490（2016）01-0160-04