数据采集装置设计与实现

期刊目录网应用电子技术论文发表2020-04-26 10:32关注(1)

　　根据陆军某型装备对车载数据采集装置的需求，首先对数据采集装置进行了概述，根据未来通用数据采集装置的发展，深入研究了数据采集装置的功能特点需求，并且基于模块化思想，提出了数据采集装置的设计思路，给出了数据采集装置的软硬件体系结构，并对其核心模块的功能进行了详细的阐述。最后，简述了数据采集装置的应用。

数据采集装置设计与实现

　　关键词：装甲车辆;数据采集装置;模块化;体系结构

　　为适应数字化为主导的信息化条件下的现代战争，按照陆军装备的技术发展路线，正在积极研制陆军某型装备，为了配合研制过程的功能、性能和作战试验的顺利进行，研制基于陆军某型装备的车载数据采集装置具有重要的意义。考虑到后期陆军新型装备在部队平时的使用管理、维修保障业务的数字化和智能化发展，战时的技能训练和指挥战术训练、对抗演习等作战过程数据的挖掘和大数据分析，数据采集装置能够准确回放战场装备实时状态，进行事后的作战效能评估，为部队提高作战力和保障力提高有效的数据支撑[1-2]。

　　1装甲车辆电子系统综合化需求

　　针对陆军新型装备对车载电子系统综合化的需求，通用标准化模块构建的开放式装甲装备综合化计算平台被广泛采用，陆军新型装备需要满足核心处理机、高速网络化系统互连、多源数据实时传输和通信控制等基本要求，整车的信息化程度和综合化程度有了很大的提高[3]。构建统一高速交换任务网络(FC光纤网络)和高速实时控制总线(CAN、FlexRay)的数据传输系统以满足未来武器装备的发展需要[4]。同时车载信息采集装置由以前分系统数据记录，上升到整车信息平台的综合数据记录的高度，提出了将动力系统、传动系统、悬挂系统、三防系统、指控系统、侦察系统、通信导航等分系统数据记录于一身[5]。数据覆盖装备的使用管理、维修保障、训练评估、试验评估、事故鉴定等方面，数据类型多样化，包括CAN总线、FlexRay总线[6]、FC光纤网络音视频、机械振动应力以及使用和操作数据等。

　　2数据采集装置体系结构

　　采集装置立足顶层设计，统筹考虑系统功能，以信息为主导，按照信息采集、解析、加密、压缩、存储、传输等使用环节，采用自顶向下设计方法，实现平台通用化、功能综合化的陆军通用的采集装置。采集装置硬件采用国产龙芯2K-1000处理器和FPGA构架设计，采集装置主要由核心处理模块、总线数据采集模块、振动信号采集模块、系统电源模块等组成。

　　2.1核心处理模块

　　核心处理模块主要完成采集数据的存储、解析、加密、压缩及传输功能，实现系统文件操作、管理及相关配置工作，主要性能如下：1)采用龙芯2K-1000处理器进行设计，处理器主频800MHz，集成2个64位GS264处理器核，具有丰富接口控制器资源;2)采用COMExpressType10标准高速连接方式的Com-puteronModule集成化CPU处理模块设计，可实现与外部载板及其他模块实现高速数据传输，满足高速数据处理要求;3)配置板载4GB大小的64位的DDR3系统内存，支持最大533MHz工作频率，可满足指标要求;同时配置1TB的mSATA接口的电子盘作为数据存储模块;4)模块接口主要有：RGMII×2、X1PCIe2.0×4、UART×2、SATA2.0×1、USB3.0×1、VGA×1以及GPIO等接口，能够满足技术设计需求及资源需求。

　　2.2总线数据采集模块

　　此模块主要完成2路2通道Flexray、2路2通道CAN实现总线数据、FC光纤音频及视频数据采集以及振动信号采集模块的数据传输功能，最终通过PCIe2.0总线传输数据至核心处理模块;其主要性能如下：1)采用Xilinx公司的Zynq-7000的SoCFPGA实现，此FPGA为全可编程片上系统，包含PS(ProcessingSystem)和PL(ProgrammableLogic)，PS端集成2个CortexA9的ARM核，使得具有处理器和FPGA双重特性，适用软硬件协同设计;2)FC光纤通讯采用PS端MAC层硬核及收发光模块以及光电连接器设计实现音频及视频数据采集，通过PCIe2.0总线传输至核心处理模块;3)CAN及Flexray总线采用隔离设计，CAN接口采用FP-GA专用CAN控制器IP设计，Flexray采用NXP专用MFR4310控制器设计。数据采集总体设计框图见图2。

　　2.3振动信号采集模块

　　采集装置外部采用标准IEPE压电式振动传感器检测振动状态，IEPE振动传感器在提供的恒流源激励下进行工作，产生电压式的不同频率、幅值的模拟信号，采集装置采集电压式模拟信号，并进行处理、分析与存储[7]。IEPE振动信号采集设计方案为信号经过高通滤波、偏置调整、低通滤波、ADC采样与数据传输等过程，完成振动信号采样、调理功能，最终信号采集模块通过高速串口总线将4路振动数据传输至核心处理模块。振动信号采集设计框图见图3。振动传感器为8702B型号IEPE接口传感器，其激励电流要求为4mA，根据此参数设计能够输出0mA～20mA的恒流源，采用XTR111(工作温度-55℃～125℃)电压电流转换器设计，能够输出0mA～20mA的恒流源，且外部输入电压可通过DAC芯片控制，调节不同恒流源的输出大小，能够满足不同激励源要求的IEPE传感器要求。IEPE信号调理主要包括4个部分，主要为接口保护、隔直、跟随及增益放大电路。信号采集采用4通道输入的AD7606设计，支持-5V～+5V或者-10V～+10V信号输入，输入接口具有高压保护，耐压可达±16.5V，并对输入信号进行二级滤波，-3dB截止频率可达22kHz;其采样频率最大为200ksps，且采样频率可软件调整。2.4系统电源模块系统电源设计采用分布式电源架构进行两级电源转换。第一级由电源板采用隔离式DC-DC模块电源产生12V输出电压给核心处理模块和振动信号采集模块供电，并进行电源输入防反接、滤波处理以及应急储能电路设计;第二级在核心处理模块和振动信号采集模块上采用DC-DC模块电源或LDO产生各功能电路工作电源。系统电源设计框架如图4所示。1)电源模块进行电源输入防反接保护设计，防止误反接损坏采集装备;电源模块设计TVS管及保险丝电路，进行瞬态过压及过流保护;2)第一级隔离DC-DC电源模块输入电压范围为9V-75V，最大输出功率达80W，满足技术指标电源适用范围9V～60V的要求。由于具有保护电路及储能电路，可以保障在瞬态低压(最低电压≤6V，时间宽度≥1s)及瞬时高压(最大电压≥100V，时间宽度≥500ms)条件下，输出稳定且不损坏内部器件;3)电源模块自带应急电源，采用超级电容器组进行储能设计。当突然断电时，超级电容器放电继续给系统供电，使系统正常工作一小段时间，保障采集装备完成断电前最后一包数据的采集存储并安全退出;4)同时设计掉电监测电路，断电时，会输出触发信号至核心处理模块，核心处理模块会立即对系统内存内部的缓存数据进行存储至mSATA数据盘内，保证数据库文件的完整性不被破坏，及时保存数据文件和索引文件。

　　2.5数据存储模块

　　采用CPU自带的SATA2.0控制器，通过多路复用器引出一路MiniPCIe接口，与系统盘进行数据交互。系统盘容量大小为1TB，接口形式为MiniPCIE接口，符合SATA2.0标准，理论最大传输速率达到3Gbps，满足系统大容量数据高速存储要求;多路复用器用于端口切换，当数据导出时，可切换端口与USB接口连通，将数据导出至USB存储介质。支持速度高达10Gbps信号切换，完全满足SATA2.0和USB3.0接口的通讯速率要求，同时具有低功耗及低能量损失特性。

　　3系统软件设计

　　根据采集装置为应用背景，以采集装置为模型，按照采集装置合同的技术指标进行细化和方案设计，主要从采集、解析、存储、传输、应用等方面进行规划设计，图5为系统软件框图。采集装置软件通过对FlexRay总线数据、CAN总线数据、振动传感器信号以及通讯系统FC音频信息的采集解析获取车载装备的基本属性数据、行驶数据、故障状态、工况数据、操作记录、通话信息等数据信息;对采集数据按照部队使用需要进行分类存储，采用硬件加密技术进行数据加密以保护信息的安全，采用无损压缩技术在不丢失信息的前提下缩减数据存储空间;采用文件型数据库管理，实现数据的快速检索定位;通过USB、以太网、光纤等接口进行实时数据和离线数据的传输。按照功能模块将软件划分为采集、解析、加密、存储、传输和其他等六个模块。1)采集模块：采集FlexRay总线数据、CAN总线数据、振动传感器信息、通讯系统FC音视频数据;2)解析模块：对原始数据按接口类型、设备类型、数据类型解析的同时，根据数据用途进行数据整理归类冗余备份，内容包括装备管理数据解析、数据维修数据解析、训练数据解析、装备试验数据解析、事故鉴定数据解析、装备全寿命周期数据解析等;3)加密模块：采用AES加密算法(对称加密)对数据明文加密与RSA加密算法(非对称加密)对密钥加密相结合的加密方式，对解析数据进行加密;4)存储模块：采用文件型数据库方式管理和存储数据，实现数据的快速检索、定位;对数据采用无损压缩，减少存储空间使用;5)传输模块：通过USB、以太网、光纤等接口将离线数据传输到USB存储设备、手持式终端、数据保障设备等，将实时数据传输给数据保障设备;6)其他：采集装置具有开机自检和周期性自检功能;自带系统时钟管理和支持外部授时功能;支持通过北斗接口实现时统功能;监测输入电源掉电状态;支持采集装置的工作参数配置和维护等。

　　4结束语

　　采集装置采用通用化、集成化、模块化[8]、小型轻量化、可扩展化设计理念，将系统的功能、结构进行集成化设计，设计出通用性强的陆军车载信息采集装置，不仅节约了研制成本，而且维护也十分方便。系统可应用于陆军新型装备的日常管理、研制试验、装备检测、作战评估、装备健康管理、演习演练等领域的数据采集和存储，具有较好的军事效益：①提升数字化车场管理车辆和故障维修的效率，降低维修保障成本;②在装备研发过程中为产品设计改进提供依据，能快速促进装备可靠性提升;③便于车辆维修场掌握和管理车辆健康状态;④不仅有效帮助训练基地对战士进行操作训练和考核，而且能够为演练演习、态势复盘、指挥决策等提供数据支撑。

　　参考文献

　　[1]陈详斌，刘增勇，张爱民，等.陆军装备维修保障转型建设研究[J].军事交通学院学报，2017，19(8)：22-25

　　[2]孙万国，王梓寒，李方舟，等.新形势下陆军装备维修保障的体系的改革探析[J].价值工程，2017，33：39-41

　　[3]毛明，刘勇，胡建军.坦克装甲车辆综合电子信息系统的总体设计研究[J].兵工学报，2017，38(6)：1192-1201

　　[4]朱闻渊，陈洁，骆意，等.装甲车辆综合化计算平台[J].计算机工程，2011，12(37)：269-272

　　[5]曹宏炳，程树康.战斗车辆计算平台技术体系结构研究.车辆与动力技术，2009(3)：56-60

　　[6]何小亚，王明，张蕾，等.一种双余度车载核心处理机的设计与实现[J].电子技术设计与应用，2014(1)：29-32

　　[7]黄应强，温洪昌.基于单片机的振动数据实时采集系统[J].电子测试，2018(2)：10-14

　　[8]卢艳军，牛闯，张晓东.新型通用飞机机载数据记录仪的研究[J].沈阳航空航天大学学报，2014(2)：82-86.

　　作者：刘国亮单位：合肥同智机电控制技术有限公司

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