一種基于C8051F350的無線同步數(shù)據(jù)采集方法 - 全文

　　殲擊機的操縱性，如桿／舵的操縱力、位移等要符合技術(shù)要求，符合飛行員的使用習(xí)慣，才能使飛行員安全舒適地駕駛殲擊機，在整個飛行中較好地完成飛行任務(wù)。殲擊機操縱桿／舵操縱力一位移性能評估是殲擊機產(chǎn)品質(zhì)量檢測的主要項目之一，它根據(jù)殲擊機操縱桿／舵操縱力一位移性能指標(biāo)的要求，檢測出其力和位移是否在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。本系統(tǒng)主要完成對殲擊機操縱桿／舵操縱力和位移的同步數(shù)據(jù)采集，并通過無線的方法將采集到的力、位移數(shù)據(jù)傳輸給評估系統(tǒng)，為評估系統(tǒng)提供繪制力一位移曲線所需的準(zhǔn)確測量數(shù)據(jù)。

　　1 系統(tǒng)整體設(shè)計

　　殲擊機操縱桿／舵操縱力一位移性能檢測評估系統(tǒng)由采集系統(tǒng)和評估系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。采集系統(tǒng)主要包括傳感器、信號調(diào)理電路、微控制器和無線模塊。系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

　　采集系統(tǒng)通過兩片C8051F350分別同時控制采集對殲擊機操縱桿／舵操縱的施力信號，以及同一時刻操縱連桿相對力的位移信號，然后由各自的無線模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給評估系統(tǒng)。評估系統(tǒng)利用接收到的數(shù)據(jù)繪制力一位移曲線，和標(biāo)準(zhǔn)曲線進行對比后給出評估結(jié)果。

　　2 采集系統(tǒng)硬件概述

　　采集系統(tǒng)的核心控制器C8051F350是美國Silabs公司推出的一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型微控制器，具有高速、低功耗、集成度高、功能強大、體積小巧等優(yōu)點。它內(nèi)部有1個全差分24位模／數(shù)轉(zhuǎn)化器，2個獨立的抽取濾波器，每個抽取濾波器均可通過編程達到l kHz的采樣率。

　　從傳感器輸出的信號往往是很微弱的毫伏級信號，需要用放大器對信號加以放大。信號經(jīng)放大、濾波后接入C805lF350的模擬信號輸入端。

　　射頻芯片nRF24L01是一款工作在2．4 GHz～2．5 GHz，世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，不僅具有自動應(yīng)答及自動重發(fā)功能，而且在增強型ShockBurst模式下還具有數(shù)據(jù)包識別、地址及循環(huán)冗余校驗方式（Cyclic Redundancy Check，CRC）校驗的功能，減少了外部CPU的工作量，增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

　　3 采集系統(tǒng)同步設(shè)計

　　3．1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　安裝在操縱桿手柄上的采集系統(tǒng)作為主采集器（簡稱A），實現(xiàn)對操縱桿／舵操縱的施力信號的采集。和操縱連桿相連的采集系統(tǒng)為從采集器（簡稱B），實現(xiàn)對操縱連桿位移信號的采集?，F(xiàn)有的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般是由l臺控制器控制1片具有多通道的同步數(shù)據(jù)采集芯片，或者同時控制多片同步數(shù)據(jù)采集芯片來實現(xiàn)的。而本系統(tǒng)要完成的是由2片單片機分別控制，對力和位移進行同步數(shù)據(jù)采集。由A控制采集過程的開始和結(jié)束，2個采集器由2片C8051F350分別控制，所以在數(shù)據(jù)采集開始前必須使A和B系統(tǒng)同步。A和B的程序流程圖分別如圖2、圖3所示。

　　3．2 系統(tǒng)同步的實現(xiàn)

　　A和B系統(tǒng)同步是指2個采集系統(tǒng)開始采集力數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)的時間是一致的，先計算出2片C805lF350控制無線模塊通信過程中的時間差，經(jīng)過時間補償后使2個采集系統(tǒng)開始同步數(shù)據(jù)采集。A和B進行系統(tǒng)同步的流程圖分別如圖4、圖5所示。

　　A同步初始化后向B發(fā)送一個準(zhǔn)備開始采集的同步信號，隨即檢測是否接收到B發(fā)來的應(yīng)答信號（同步信號和應(yīng)答信號為相同字節(jié)），同時A使用定時器中斷監(jiān)測同步信號是否丟失，定時時間要遠(yuǎn)大于從發(fā)送同步信號到接收到應(yīng)答信號所用時間的理論計算值。若定時內(nèi)沒有收到應(yīng)答信號則認(rèn)為同步信號丟失，觸發(fā)中斷，在中斷子程序中將重新發(fā)送同步信號并裝載定時初值，直到收到應(yīng)答信號。

　　A的定時時間包括發(fā)送同步信號的時間、同步信號的傳輸時間、B檢測判斷該信號的時間、發(fā)送應(yīng)答信號的時間、應(yīng)答信號的傳輸時間和關(guān)定時器的時間。

　　其中A發(fā)送同步信號需m個機器周期，B檢測判斷同步信號需n個機器周期，發(fā)送應(yīng)答信號需p個機器周期（p=m），關(guān)定時器需q個機器周期，C8051F350的機器周期為T，則執(zhí)行這些指令的時間S=（m+n+p+q）T。nRF24L0l的數(shù)據(jù)傳輸率為l Mbps，同步信號的傳輸時間為tl，應(yīng)答信號的傳輸時間為t2（t2=t1），這一過程共用時G=t1+t2+S，定時時間為H》》G。

　　B接收到同步信號后，向A發(fā)送一個應(yīng)答信號，經(jīng)過X的延時后2個采集系統(tǒng)便完成了系統(tǒng)同步。由于測試環(huán)境的不同，X也是不確定的，可由另外的測試程序測試后加以計算獲得。

　　因為A，B選用的均為C805lF350，機器周期相同，所以2個采集系統(tǒng)在完成系統(tǒng)同步后的數(shù)據(jù)采集過程可視為是同步進行的，不考慮其間的時間差。

　　3．3 同步測試設(shè)計

　　A的測試流程圖如圖6所示。A定時H觸發(fā)中斷，在中斷子程序中令同步測試信號丟失標(biāo)志Flag=1，表明同步測試信號丟失，要重新發(fā)送。同時A使能計數(shù)器，利用計數(shù)值可以計算出從發(fā)送同步測試信號到接收到應(yīng)答信號的實際用時，進而得到同步（應(yīng)答）信號的實際傳輸時間。用多次測試中出現(xiàn)概率最大的數(shù)值計算實測時間，實測時間記為TA。

　　B始終處于接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，只要收到A發(fā)來的同步測試信號就發(fā)送一個測試應(yīng)答信號，如圖7所示。

　　從圖6可知實測時間中開、關(guān)計數(shù)器的時間可相互抵消，且A檢測判斷應(yīng)答信號同樣需n個機器周期，則同步（應(yīng)答）信號的實際傳輸時間tA=（TA-（n+p+n）T）／2。

　　圖5中的延時時間包括應(yīng)答信號的傳輸時間、A檢測判斷該應(yīng)答信號的時間和關(guān)定時器的時間，則x=tA+（n+q）T。

　　4 測試結(jié)果及分析

　　A，B對加入l V直流偏置、頻率為1 kHz、峰值為1 V的同一正弦信號進行同步數(shù)據(jù)采集，利用MATLAB將采集到的2路數(shù)據(jù)擬合。圖8為多次實驗中擬合效果較好的波形，C805lF350的采樣頻率為19．2 kHz。

　　從圖8可以看出兩路波形基本重合，進行局部放大后的波形如圖9所示?？筛鶕?jù)波形的周期、采樣頻率計算出A和B對同一數(shù)值采集的時間差在μs量級，實現(xiàn)了系統(tǒng)的同步數(shù)據(jù)采集。

　　5 結(jié)論

　　通過多次實驗證明了本文提出的時間補償法可使采集系統(tǒng)實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集，為殲擊機進行操縱性能檢測評估提供有效、準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)具有電路簡單、體積小巧，使用方便等特點，可應(yīng)用于其他相關(guān)領(lǐng)域和行業(yè)中。