坚固式工业数据采集系统设计开发

王东升,李建普,刘峥

（1.北京航天测控技术有限公司成都分公司，四川 成都 610051；2.震坤行工业超市（上海）有限公司，上海 201107；3.东方电气（德阳）电动机技术有限责任公司，四川 德阳 618000）

1 前言

针对未来工业现场数据采集系统规模大、精度高的建设要求，开发出了一套基于Serial Rapid IO（SRIO）总线标准的内置式数据采集系统，通过将采集设备前移至采集对象，实现就地采集数据，然后经过工业以太网组成分布式采集系统，将数字信号统一发送至远端的数据中心。这样减少了现场信号电缆的敷设，简化了数据采集系统，同时提高了系统的精度，也便于系统的扩展及和其他系统的融合。

2 Serial Rapid IO介绍

Serial Rapid IO(SRIO)是由Motorola和Mercury等公司开发的一种高性能、 低引脚数、 基于数据包交换的高速通信架构，是为满足未来高性能嵌入式系统需求而设计的一种开放式通信标准。

图1所示为传统的数据交换模式，图2所示是SRIO数据交换模式，该模式更适合系统扩展和高速、大规模数据交换。

图1 传统数据交换模式

图2 SRIO数据交换模式

传统模式中所有外部设备都直接与CPU进行总线通信，任何两个设备之间的数据交换必须通过CPU进行中转。

SRIO总线系统通过Rapid IO Switch可以实现多个设备的连接和数据交互，接入Switch中的任何两个设备之间的数据交换不再通过CPU进行中转而直接进行交换。

3 总线架构设计

根据前文所述的Rapid IO Switch的特性，对系统的总线架构进行如下设计，如图3所示。

图3 内置数据采集系统总线架构示意图

其他模块如CPU模块、数据采集模块、存储模块等通过SRIO总线与Rapid IO Switch连接进行数据交换，如图4所示。

图4 内置数据采集系统内部数据交换示意图

采集模块可以实现ICP、热电偶、RTD、应变、电阻信号调理采集。

在本系统中，CPU模块尽量不干预各个模块之间的数据交换和处理，如采集模块采集到的数据可以直接存到指定的存储器中，数据处理模块如特征值提取，直接从存储器中读取数据进行提取特征值，然后发给以太网通信模块向上位机发送，或者通信模块直接从存储模块读取原始数据向上位机发送，这样减少了数据存取操作的次数，提高了数据传输、处理速度。

Rapid IO Switch可以支持16个独立通道。并且每个独立串行通道可以设置不同的波特率，常用的波特率有1.25G、2.5G和3.125G。不同波特率对应的数据传输速率如表1所示。

表1 不同波特率对应的传输速率

除了数据交互效率提高外，系统的功能也可以进行灵活配置。采集模块采用高性能FPGA芯片，可以对内部逻辑进行重置，使系统更灵活地满足现场数据采集要求。

4 模块设计

内置式数据采集系统设计的初衷是实现能够适应工业现场复杂、恶劣环境的就地采集，同时还要满足现场各种狭隘空间的安装要求。因此模块必须能够适应高温、低温、强震、潮湿、粉尘、腐蚀的环境，同时外形小巧、坚固。

4.1 小巧坚固的外壳设计

外壳的设计同时兼顾考虑散热、安装、防腐等问题。外壳的设计如图5所示。

图5 外壳设计实物图

图6 单个模块的长度

单个模块尺寸为76mm x 50mm x 10mm（长x宽x高）。如图6、图7、图8所示。

图7 单个模块的宽度

图 8单个模块的高度

此设计是在对工业现场使用环境进行充分调研的基础上进行的。兼顾了电磁干扰、高温、潮湿、油雾、噪声、振动、等恶劣环境及安装空间狭窄的要求。

4.2 模块的扩展设计

本系统设计的一个重要原则就是便于扩展，因此设计模块时间需要考虑扩展模块的安装、拆卸便捷性。兼顾前述的Rapid IO Switch特性及模块外壳，设计模块采用堆叠式安装扩展，如图9所示。

图9 堆叠式模块扩展

系统根据采集需要模块的种类和数量进行直接插接堆叠，如果模块数量超过Rapid IO Switch通道数量，需要再插入一个Rapid IO Switch模块或者组成分布式系统，如图10所示。

图10 分布式采集系统拓扑图

分布式系统可以通过工业以太网组成局域网进行通信，避免了一个采集系统无限扩展，同时便于安装在各个采集对象内部或者附近，最大限度地缩短模拟量信号传输距离。

4.3 导冷防水及抗震设计

设备的环境适应性主要体现在适应高温、潮湿、振动的环境，因此在设计模块时特别进行了这些方面的考虑，除了外壳外，PCB的设计制作、模块组装也综合考虑了这些要求，PCB安装后对模块进行密封灌胶，如图11所示。

图11 模块注胶灌封设计

4.4 抗电磁干扰设计

抗电磁干扰也是设备环境适应性的一个重要方面，在模块设计中也充分考虑了电磁干扰的要求，因此供电采用隔离措施，如图12所示。

图12 抗电磁干扰设计

电源模块采取了以下措施保证抗干扰能力：

（1）电源输入隔离；

（2）浪涌电流抑制；

（3）反极性保护；

（4）模块与外壳绝缘设计；

（5）系统外壳接地端子设计；

（6）具备Shut-down模式。

5 应用实例

通过在国产军用飞机上实测，验证了内置数据采集系统的环境适应性及稳定性，在风机上部署安装示意图，如图13所示，设备分别安装在机翼的不同位置，小巧坚固的外壳能够适应机翼狭小的空间，通过1553B总线组成分布式系统。

图13 在国产军用飞机上实测

该系统主要实现机电、航电、飞控、动力等区域健康管理数据的采集、处理、存储、故障诊断、地面测试。主要功能如下：

千兆以太网通讯；

ARINC 429通讯；

RS422通讯；

1553B通讯；

TTFC通讯；

USB通讯；

AFDX通讯；

1394B通讯；

每区域100GB存储；

支持板载算法处理。

系统拓扑如图14所示。

图14 国产飞机性能测试系统拓扑图

本设备小巧的外形尺寸、坚固的外壳更适合安装在飞机内部狭隘空间。由于采集设备部署在传感器附近就缩短了模拟量信号传输距离，通过数字量信号长距离传输，提高了系统抗干扰能力，保证了信号的质量，提高了系统测量精度。

6 结语

（1）本文所述内置数据采集系统采用SRIO总线、小巧坚固的外壳、内部注灌封胶的组装、堆叠式的扩展方式满足了恶劣的工业现场环境及未来需要大规模分布式就地采集的要求。

（2）系统的适应性强，除在飞机上应用外，还可以在能源系统应用，如风电叶片应力应变监测，采集设备安装在叶片内部狭小的空间内，进行就地采集，减少了叶片内部信号线的敷设，同时模块优秀的环境适应能力可以适应叶片低温、强振动的环境。

（3）在实际测试中验证了该系统的性能先进性，值得在工业现场数据采集系统中推广。