基于DSP的传感器数据采集嵌入式系统设计

徐文宽,王保成,周江华,苗景刚

(中国科学院光电研究院，北京 100094)

0 引言

平流层飞艇飞行于临近空间(介于飞机和空间飞行器飞行高度之间的范围，一般定义为18～100 km，是一个急待开拓的具有重要战略意义的空间圈层)，是利用轻于空气的气体浮力提供升力的航空器，是临近空间圈层的主要飞行器之一[1-2]。

平流层飞艇通常使用软式飞艇设计，利用囊体内外压差保持其外形刚度；大气压数据用于计算飞艇所在高度；电池电压用于监测各设备供电电池的电压。这些数据需要提供给飞控计算机，作为压力控制及安全飞行的关键参数。因此，准确地获得这些参数显得尤为重要，需要设计专用设备(其用途如图1所示)用于获取这些参数[3]。根据任务需求，三个指标的测量精度分别为±10 Pa、±100 Pa和±0.5 V。

本文设计了平流层飞艇压差、大气压和电压测量设备，使用分立传感器和电子元器件，自行设计数据采集和处理电路，集成在单块印制板上，并基于DSP编写嵌入式程序固化到硬件里，研制了样机并进行了实验。在设计中，对关键的压差数据及通信接口进行了冗余设计，提高了可靠度。该设备完成传感数据采集、通信的同时，还能在线记录和存储数据[4-5]。

图1 平流层飞艇压差、大气压和电压测量设备用途示意图

1 设计方案

本设计方案包括硬件部分设计和软件部分设计，下面分别进行说明。

1.1 硬件部分设计[6-9]

硬件原理框图如图2所示。本设计中，将压差传感器、大气压传感器和电池电压测量电路都集成在一块PCB上，使用DSP对所有信号进行采集和处理，并进行在线记录和存储，进而与飞控计算机进行通信。

为提高设备功能可靠性，做了部分冗余设计，主要包括三个方面。

(1)压差采集、大气压采集和电池电压采集都进行了备份设计。

(2)与飞控计算机的串口通信进行冗余设计，DSP将采集到的所有数据处理打包后，通过其两个SCI口转换为RS422后独立地与飞控计算机进行通信，提高数据通信的可靠性。

(3)4路关键的压差信息，通过TLV2442运放-射随后，直接将模拟量(不通过DSP)送入飞控计算机的AD采集端口，这样可以在DSP工作异常时，飞控计算机仍然能够采集到4路关键的压差信息。

图2 平流层飞艇压差、大气压和电压测量设备硬件原理框图

电源模块主要提供5路电源，包括2路5 V电源、2路3.3 V电源和1路1.9 V电源。其中，1路5 V电源与其他电源隔离，为电池电压隔离采集芯片输入级供电；1路5 V给运放供电；1路3.3 V电源给压差传感器和大气压传感器供电；1路3.3 V电源给DSP和其他外围芯片供电；1路1.9 V电源给DSP内核供电。其供电拓扑图如图3所示。

图3 供电拓扑图

压差传感器型号为NPA300B10WD[10]，为汽车级芯片，量程为±2 500 Pa，工作电流为1 mA，输出模拟信号为0～3 V，并且具有0～70 ℃下的温补功能。大气压传感器型号为NPA300M015A，为汽车级芯片，量程为0～103 kPa，工作电流1 mA，输出模拟信号为0～3 V，并且具有0～70 ℃下的温补功能。电池电压采集采用隔离型采集芯片ADUM4190SRIZ，为军品级器件，输入和输出是隔离的，输入电压范围为0～3 V，在其输入端加分压电路，采集电压范围可达0～40 V。

本方案使用TI公司的TMS320F2812作为主控CPU，其工作频率可达150 MHz，主要用到的资源包括16路ADC接口、2路SCI接口、1路SPI接口、并行数据接口和JTAG接口等。

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NorFlash型号为S29AL008，为并行接口，容量为8 Mbit， 用于存储传感器校准数据。SPI接口Flash型号为M25P32，容量为32 Mbit，用于在线存储传感器数据。MAX706为外部硬件看门狗芯片，当DSP死机时，通过外部复位信号重启DSP，可以提高系统工作的可靠性。LTC2864芯片用于将SCI接口转换为RS422接口，与飞控计算机进行通信。

1.2 软件部分设计

本设备软件任务主要包括数据的采集和处理，与飞控计算机进行通信，以及传感器校准、数据存储等其他功能。其在飞艇系统联试、试验场测试和飞行试验过程中，实时采集10路压差传感器、2路大气压传感器和4路电池电压传感器的数据，进行滤波和处理后通过2路RS422通信接口同时发送给飞控计算机，2路RS422通信接口互为备份；这两个接口也可以与地面计算机连接，进行地面调试，包括数据通信、数据监控和传感器校准等。同时，具有在线数据储存功能，可供飞控计算机随时调用或地面计算机下载使用。其软件功能与通航飞行器的主要区别是其有地面模式和起飞模式，在飞行前需进行切换。其有两种工作模式，分别说明如下。

(1)与飞控计算机通信模式

此模式为飞艇飞行时的最终工作模式，主要完成与飞控计算机的固定周期通信、时间同步及数据擦除和在线存储等，功能较单一。

在此模式下，系统与飞控计算机连接后，开机启动即默认以10 Hz的频率通过两个RS422串口向飞控计算机发送传感器数据，但不存入自带的SpiFlash。当飞艇起飞前，首先接收飞控计算机通过两个RS422串口发送过来的SpiFlash擦除指令，对SpiFlash进行擦除，在此期间停止向外发送数据；擦除完毕后通过两个RS422串口向飞控计算机发送擦除成功指令，然后接收飞控计算机通过两个RS422串口发送过来的时间同步指令，启动内部的时间同步计数器，开始以10 Hz的频率通过两个RS422串口向飞控计算机发送传感器数据，同时以0.5 Hz的频率将数据存入SpiFlash。

(2)地面调试模式

此模式主要工作于设备试验和调试过程，验证设备的正常工作状态、对各功能的调试以及传感器的地面校准等。

NorFlash擦除功能：接收地面计算机通过两个RS422串口发送过来的NorFlash擦除指令，启动NorFlash擦除功能，对NorFlash进行擦除，并返回擦除成功或失败的标识，通过两个SCI串口发送给地面计算机。

NorFlash写入校准数据功能：接收地面计算机通过两个RS422串口发送过来的校准数据(包括每个传感器的斜率和零偏)，启动NorFlash写功能，将校准数据写入NorFlash中，以便系统每次启动时读取校准数据用于数据转换。

读取NorFlash数据功能：可以在任何时候读出NorFlash中存储的校准数据；系统每次启动即从NorFlash中读取校准数据并存入全局变量；当接收到地面计算机通过两个RS422串口发送过来的NorFlash读取指令时，启动NorFlash数据读取功能，读出NorFlash中存储的数据，并通过两个RS422串口发送给地面计算机。

SpiFlash数据读取功能：接收地面计算机通过两个RS422串口发送过来的指令，启动数据读取功能，读出SpiFlash中存储的数据，并通过两个RS422串口发送给地面计算机。

传感器校准功能：通过AD采集电压数据，进行中值滤波后对数据进行打包，根据接收到地面计算机机通过两个RS422串口发送过来的发送传感器电压数据的指令，将对AD采样结果进行滤波后的电压数据通过两个RS422串口发送给地面计算机。利用这些数据可以对传感器进行校准，用于对传感器进行校准。

软件主要功能是对AD数据进行采集处理并通过两个SCI串口以10 Hz的频率发送出去，因此软件优先保证此功能的正常实现；同时兼具其他附带功能的实现。使用定时器T1进行100 ms周期的定时，并产生中断，在中断函数中对16个通道的AD进行连续10次的查询采样，进行中值滤波并转化为最终单位数据后进行打包，然后通过两个SCI串口发送出去。同时打开SCI接收中断，接收外部发送过来的指令，进行判断后执行不同的程序功能。整个软件流程框图如图4所示。

2 实验结果分析

样机研制完成后，在常温常压环境下进行了部件级实验，供电电压28 V，电流0.07 A，功耗小于2 W。压差采集、大气压采集和电池电压测量的实验结果见表1，下面分别进行说明。

2.1 压差测量实验结果分析

使用Setra-869标准压差源[11]作为压差输入，样机的10路压差采集同时工作，采集到10路压差结果，平均误差小于±2 Pa。其中误差最大的一组结果如图5所示。由图可见，最大误差小于±5 Pa。由于平流层飞艇能够使用到的压差测量范围为0～1 000 Pa，因此，本实验仅就此范围进行了测试。

2.2 大气压测量实验结果分析

使用华信HS108标准气压源[12]作为大气压输入，样机的2路大气压采集同时工作，采集到2路大气压结果，平均误差小于±40 Pa。其中误差最大的一组结果如图6所示。由图可见，最大误差小于±80 Pa。由于平流层飞艇能够使用到的大气压测量范围为4～100 kPa，因此，本实验仅就此范围进行了测试。

图4 软件流程框

项目内容实验环境常温常压压差测量最大误差小于±5Pa大气压测量最大误差小于±80Pa电池电压测量最大误差小于±0.03V

2.3 电压测量实验结果分析

使用华信HS108标准气压源作为大气压输入，样机的2路大气压采集同时工作，采集到2路大气压结果，平均误差小于±40 Pa。其中误差最大的一组结果如图6所示。由图可见，最大误差小于±80 Pa。由于平流层飞艇能够使用到的大气压测量范围为4～100 kPa，因此，本实验仅就此范围进行了测试。

图5 压差测量误差曲线

图6 大气压测量误差曲线

图7 电压测量误差曲线

3 结论

本文提出了平流层飞艇压差、大气压和电池电压集成测量设备的设计方案，完成了软硬件设计和样机研制，并进行了实验。实验数据表明该设计的压差、大气压和电池电压的测量精度分别达到±5 Pa、±80 Pa和±0.03 V，该指标满足平流层飞艇飞行控制系统的需求。同时，该设计采取了冗余设计，提高了系统功能的可靠性；具有数据在线存储功能，为飞行后数据分

析提供依据；具有较高的集成度和较低功耗。