多通道发射场测试系统设计

苏淑靖 韩文革

摘 要： 针对目前发射场测试仪测试通道单一，设计并开发一种多通道发射场测试系统。系统采用模块化思想，由变送模块、采集模块、主控模块组成。变送模块将传感器的信号变送为4～20 mA的电流信号，由采集模块采集，然后通过背板与主控模块进行通信与数据传输。详细介绍了采集模块，以FPGA为核心，采用VHDL编写逻辑控制程序对数据采集、读取过程进行控制，信号调理电路设计隔离放大电路与滤波电路。实验结果表明，数据采集正常，各通道数据在测试范围误差内，满足系统设计要求，目前已应用于发射环境测试系统中。

关键词： 测试； 多通道； 数据采集； FPGA； 隔离放大； 滤波

中图分类号： TN919?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）19?0100?04

Abstract： Since the test channel of launching site tester is single， a multi?channel test system for launching site was designed and developed. The system adopting the modular concept is composed of transmission module， acquisition module and main control module. The different signals acquired by the sensor are transferred into 4-20 mA current signal through the transmission module， acquired by acquisition module， and communicated and transmitted through the backboard and main control module. The acquisition module is introduced in detail， and takes FPGA as its core. The VHDL is adopted to compile the logic control program to control the data acquisition and reading process. The isolation amplifying circuit and filtering circuit are designed for the signal conditioning circuit. The experimental results show that the data acquisition of the system is normal， and the data of each channel conforms to the error range of the test， which satisfies the system design requirements and is applied in the launching site test system.

Keywords： test； multi?channel； data acquisition； FPGA； isolation amplifying； filtering

0 引 言

随着当代技术的发展，火箭发射已成为我国国防、经济的重要组成部分，火箭发射安全的重要性不言而喻。火箭发射环境测试系统对火箭发射过程中发射环境效应引起塔架健康状况变换及周围环境参数进行测试，测试参数包括温度、冲击、振动和噪声，为火箭研制总体单位、地面发射设备研制单位及航天器发射场提供发射近场的发射效应参数，为分析发射环境效应对发射环境中所处不同位置的设备产生的危害程度提供依据， 优化和防护火箭本体设计、地面发射设备及发射场发射设施，提高弹、箭发射试验的可靠性[1]。

但目前国内很多测试系统仅能测试单一参数，不能同时实现温度、冲击、振动、噪声多个参数的测试，而且还存在采集传输速率低等问题，针对这些问题设计研发多通道的火箭发射环境测试系统。

1 总体方案设计

发射场测试系统由3个模块组成，分别是变送模块、采集模块与主控模块。变送模块负责将不同傳感器的信号变送为4～20 mA电流信号；采集模块采集变送器的电流信号，将其转换成电压信号并经过隔离滤波等信号处理，然后通过A/D转换成数字信号并存储到FLASH中；主控模块通过背板与采集模块相连并通过USB接口与上位机进行通信与数据传输[2]。

模块间连接如图1所示。

2 硬件设计方案

2.1 硬件设计电路框图

数据输入共64个通道，共4块电路板，4块采集板通过背板与主控板连接。每块电路板16个通道，其中压力测试6个通道，温度测试6个通道，冲击测试2个通道，噪声测试2个通道。本文主要对采集模块进行详细描述，其硬件设计方案如图2所示。

本文设计采用Xilinx XC6SLX100的FPGA芯片作为整个模块的核心控制器，实现对整个模块的控制与通信功能，该芯片能够提供各种业界领先的连接特性，具有很高的性价比。其主要性能特点是内部具有976 Kb的分布式RAM和4 824 Kb的块RAM，最大用户I/O引脚为480个，同时支持高速的LVDS接口[3]。

采集模块将变送器输出的电流信号经电流转电压芯片RCV420将输入的4～20 mA电流信号转换成电压信号，然后通过信号隔离电路模块ISO122将干扰信号隔离，再通过抗混叠滤波器将带外信号滤除，滤除的信号在FPGA的控制下经模数转换器AD7699进行转换，转换后的信号存储到FLASH存储器中，最后通过计算机控制主控模块读取FLASH中的数据[4]。

2.2 信号调理电路的设计

调理电路的设计是十分重要的，能够提高系统的采样精度。信号调理电路包括信号隔离电路以及抗混叠滤波器电路。

2.2.1 信号隔离电路

为了抑制变送器和采集记录器之间的相互干扰，设计如图3所示的信号隔离电路，ISO122是采用滞回调制解调技术设计的隔离放大器，该电路将输入信号调制为500 kHz的方波信号送至输出端，输出端再将该调制信号进行解调复现输入信号。为了抑制电源噪声，在两隔离电源与各自的地之间接1 μF钽电容去耦。为使内部500 kHz的震荡频率与变换隔离电源的DC/DC变换器的差拍频率噪声最小，隔离电源通过Π型滤波后为ISO122供电。为了抑制由内部调制/解调信号在输出端形成500 kHz，200 mV的纹波，隔离电路输出端也进行滤波[5]。

2.2.2 抗混叠滤波器电路

在模数转换时，被测信号中掺杂的高频噪声会等幅度地折叠到低频有用信号中，这部分噪声也会被量化。如图4所示，以频率[fs]对最大频率为[fh]的有用信号进行采样，如果[（fs-fh）～fs]频段上存在干扰信号，采样时会将这部分干扰信号以[fs2]为对称轴等幅度叠加到0～[fh]的有用频段上，因此要将频率大于[fs-fh]的噪声信号滤波，使其至少衰减到ADC的量化电平以下[6]。

火箭发射环境测试仪所测试的温度、振动、冲击压力、声压4种信号的采样率分别为1 kS/s，20 kS/s，10 kS/s和20 kS/s。不同的采样率，如果采用固定截止频率的滤波器电路，必须设计不同的外围电路，增加元器件的种类，降低可靠性。本设计使用Linear Technology公司生产的开关电容型滤波器LTC1068，其典型截止频率误差仅为±0.3%，截止频率与输入时钟频率比为1[∶]100，内部集成4个独立二阶节，可以配置成具有各种响应（包括Butterworth，Bessel，Chebychev、椭圆、最小[Q]值椭圆和定制响应）的低通、高通、带通、带阻滤波器，既可以独立工作又可以兩两级联组成一个4阶滤波器，还可以全部级联组成8阶滤波器[7]。滤波器通带内的幅频响应曲线具有最大平坦度对采集设备的精度很重要，所以将LTC1068配置成Butterworth模型。[n]阶Butterworth幅频响应函数为：

综合式（3）～式（6），可得[n≈8]。以上计算依据的是噪声幅度最大的情况，而实际环境下噪声幅度都比较小，远远小于有用信号的幅度，所以要求的衰减值[As]会小于102.35 dB，因此配置抗混叠滤波器为8阶滤波器，其电路如图5所示。

在开关电容滤波器内部，由输入时钟控制的MOS开关高速切换，会对输出模拟信号产生馈通效应，因此在滤波器输出端也设计一个RC低通滤波器来最大限度地降低时钟馈通引入的噪声[9]。

3 控制与通信逻辑设计方案

在硬件电路设计的基础上，编写各个模块的FPGA控制逻辑程序，包括AD7699控制逻辑，FLASH控制逻辑等。

定义采集卡与主控卡的通信协议和传输数据的帧结构等，完善测试仪采集卡的下位机逻辑设计。采集模块控制和通信功能都由FPGA实现，其内部原理图如图6所示。

FPGA在接收到时钟信号后通过下发命令控制A/D采样，实现模拟电压信号的采集，然后通过内部FIFO的过渡写入FLASH；主控模块通过背板对采集模块进行控制和数据传输[10]。

4 试验结果与验证

经过多次测试，验证系统的稳定性。图7是测试系统可靠性时计算机记录的一段数据，被测发送设备发送的自增数，实线框内的“EB+90”为帧头，“00 01～00 1D”为被测发送设备帧计数标志（为递增数），00～1F为接收的自增数，通过这样的数据标准格式，可以方便地使用计算机分析。

用激光管进行冲击压力实验，如图8所示，验证系统的可靠性。前端连接的是传感器，蓝色的是变送器，灰色的是采集记录仪。

由于通道数过多，所以只列举其中一个通道的数据。图9为施加60 kPa压力时上位机冲击压力通道读取的曲线图，测量精度为±1 kPa，在误差范围内。

5 结 语

本文基于MLVDS的64通道数据采集模块作为火箭发射环境测试系统的组成之一，采用模块化设计思想，利用FPGA实现数据采集传输的控制，并利用MLVDS接口完成主控模块与4个采集模块之间的控制通信与数据传输。添加CRC校验码提高数据传输的可靠性，传输速率达35 MB/s。本模块已应用于火箭发射环境测试系统中，数据采集正常，误码率低，运行效果良好，满足设计要求。

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