基于FPGA的在臨空環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

0 引言

目前已經有多種成熟的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要用于工業(yè)生產、環(huán)境監(jiān)測、航空航天和科學研究領域中。大部分實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用DSP（Digital Signal Processing）控制器和微控制器作為控制核心，比較容易實現(xiàn)復雜的算法［1］，但是它們受到信息吞吐量和帶寬的限制，不能實現(xiàn)并行化處理，在高速大批量數(shù)據(jù)采集時有些乏力。而有極強并行處理數(shù)據(jù)能力的現(xiàn)場可編程門陣列器件（Field Programmable Gate Array，FPGA）備受青睞，以FPGA為控制核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也日漸興盛。FPGA具有靈活性高、可擴展性強和資源豐富的特點［2-3］，而且能夠應對各種形式的接口協(xié)議，使其在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到廣泛應用。有些FPGA是反熔絲的，可靠性能和穩(wěn)定性能非常高，這類FPGA在特定宇航應用中是必選項。

地球臨近空間低溫、低壓、高輻射，環(huán)境極端惡劣，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳感器和控制部件很容易受到影響而工作異常，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象。此環(huán)境下設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要考慮穩(wěn)定性。FPGA能夠實現(xiàn)復雜電路，能減小電路板上因布線產生的電磁干擾。與DSP控制器和其他CPU微控制器相比，F(xiàn)PGA生成硬件電路的特性更具有抗干擾性。前人進行可靠性處理的方法有冗余結構設計和配置存儲器的回讀校驗與重配置［4］。同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性也有合理的評估指標，例如運行環(huán)境、系統(tǒng)集成、人機耦合、方案成熟性及安全性［5］。

需設計一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使其運行在臨空的特定環(huán)境下，不僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務，還需要實時將數(shù)據(jù)傳回地面，并能完成部分控制功能。從運行成本和環(huán)境考慮，需提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。從硬件和軟件兩方面入手進行設計，在硬件方面，F(xiàn)PGA抗干擾性能強，所以選取FPGA作為本系統(tǒng)的主控制器。采用冗余策略，設計兩路連接主控制器的傳感器電路，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性提高。對軟件部分，進行模塊化編程，利用有限狀態(tài)機和看門狗策略來提高系統(tǒng)穩(wěn)健性。

1 系統(tǒng)硬件設計

臨空數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括了以FPGA為控制器的最小系統(tǒng)模塊、傳感器模塊、UART串口通信模塊和控制模塊。如圖1所示，最小系統(tǒng)是維持FPGA控制器正常運行的外圍電路；傳感器模塊涉及溫度、角度、電流電壓等信號的采集與調理，因為硬件的冗余，信號被分為主板信號和從板信號；UART串口通信模塊包括2個RS232串口（與北斗模塊相連）、2個RS422串口（與臨空機載計算機連接）；控制模塊主要包括閥門控制模塊和溫度控制模塊，溫度控制模塊用于控制加熱電阻，來維持電路板上的元器件正常運行。

1.1 最小系統(tǒng)模塊

本設計選用Altera公司的Cyclone IV E系列的EP4CE22F1717作為采集系統(tǒng)的控制器。它有22 320個邏輯單元、154個用戶輸出輸出口、132個乘法器、4個PLL（“Phase Locked Loop”鎖相環(huán)）。芯片的外部提供晶振頻率為50 MHz。

1.2 溫度采集模塊

數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用PT100溫度傳感器來測量10路溫度。PT100溫度傳感器將溫度變量轉換成可以傳送的標準化電信號。此傳感器精度高，穩(wěn)定性好，測溫范圍在-200 ℃～650 ℃之間，符合臨空測溫范圍要求。如圖2所示，將PT100傳感器連接到差動電路中，測量差分電壓，將此電壓信號進行整形調理，經過模數(shù)轉換芯片得到數(shù)字值暫存到FPGA中的內存中。濾波電路采用阻容濾波。儀表放大器采用TI公司的儀表放大器INA333，該放大器具有低功耗、高精度的特性。AD轉換芯片應用5 V供電電壓的TLC2543IN，允許11路外部模擬信號并行輸入，串口輸出轉換數(shù)據(jù)，具有12位的分辨率。

1.3 氣壓采集模塊

本設計選用SMI公司的SM5852系列氣壓傳感器來采集氣壓信號。SM5852傳感器的工作溫度為-40 ℃～125 ℃，能夠滿足臨空的惡劣環(huán)境，芯片內部有溫度補償算法，實現(xiàn)氣壓的精準測量。本文選用SM5852-003傳感器，其可測壓力范圍是0～0.3 PSI（Pounds per Square Inch）。氣壓傳感器既可以輸出數(shù)字信號，又可以輸出模擬信號。為了使系統(tǒng)設計簡單而且信號獲取精確高，這里直接采集傳感器的數(shù)字信號。數(shù)字信號是通過IIC協(xié)議傳輸?shù)?，并利?4LVC4245電平轉換芯片將電壓的控制器與傳感器連接在一起，將5 V的數(shù)字信號轉換為3.3 V數(shù)字信號，同時對控制模塊起到保護作用。

1.4 通信模塊

這一模塊在本系統(tǒng)中非常關鍵，它是連接采集器與地面監(jiān)控系統(tǒng)的紐帶。它負責將臨空采集平臺上獲取的信息實時地傳送給機載計算機或者北斗模塊，同時實時接收來自兩個模塊的指令。采集平臺上的重要數(shù)據(jù)信息通過事先擬定的協(xié)議被組合成不同長度的幀發(fā)送給地面指揮站。為了保證數(shù)據(jù)的安全性和準確性，增加數(shù)據(jù)幀校驗環(huán)節(jié)，將求異或和作為幀校驗的方法。

本系統(tǒng)的FPGA控制板放置在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的平臺上，與地面指揮站通信交互信息主要有兩類：一類是下發(fā)采集器收集到的數(shù)據(jù)信息，另一類接收地面指揮系統(tǒng)的指令信息。為了保證數(shù)據(jù)安全和采集系統(tǒng)的可靠性，對通信模塊冗余設計。通過兩個RS422接口與機載計算機相連，機載計算機再通過無線通信與地面指揮站交互信息。另外，還通過兩個RS232接口與機載北斗相連，通過北斗衛(wèi)星服務與地面指揮站聯(lián)系。同時，采集器的定位信息一同下發(fā)到地面。RS422接口芯片選用ADI公司ADM2587E，RS232接口芯片采用ADI公司的ADM3251E。兩個RS422接口分為主板串口、從板串口，主板串口處理的是與主板相關的數(shù)據(jù)信息，從板串口處理與從板相關的數(shù)據(jù)信息。

2 系統(tǒng)軟件設計

軟件代碼開發(fā)基于Altera公司的Quartus II 13.0平臺，利用Verilog HDL語言實現(xiàn)代碼塊的設計與仿真。臨空數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA控制器內信號的性質和來源各式各樣，有直接來自傳感器的數(shù)字信號，有模擬信號轉換后的數(shù)字信號，有程序內部的標志信號，有來自機載計算機的控制信號，有來自北斗模塊發(fā)來的控制信號和定位信號，有FPGA控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)信號、電機控制信號、電路板控溫信號等。為了提高有效數(shù)據(jù)穩(wěn)定地接收、存儲和發(fā)送，需要對全體信號細致分類，這對程序代碼模塊劃分有指導作用。系統(tǒng)軟件設計要求代碼可讀性高、可靠性高、易維護、有可擴展的余地。系統(tǒng)設計的思路是先做總體架構，再逐個完成子模塊的編寫，最后在頂層模塊完成信號連接。模塊化的設計思路使得系統(tǒng)仿真測試更容易，代碼維護性更強。

2.1 程序頂層架構

程序頂層模塊的設計影響全局，關系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。系統(tǒng)結構的設計是根據(jù)模塊的功能劃分，每一個模塊實現(xiàn)一個具體的功能，數(shù)據(jù)信息的交互通過各模塊的輸入輸出接口連接。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號比較多，而且FPGA與機載計算機、北斗模塊的通信按照既定協(xié)議交互數(shù)據(jù)，即定時發(fā)送采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，不定時接收外部指令和狀態(tài)信息，為了便于管理數(shù)據(jù)，在FPGA內開辟一塊隨機存儲器（Random Access Memory，RAM），專門針對各種信號存儲和讀取，這種數(shù)據(jù)結構使FPGA內部數(shù)據(jù)共享更容易，也不易產生讀寫數(shù)據(jù)紊亂現(xiàn)象［6-7］。引用Altera公司提供的IP核配置RAM，經過事先估計并留有足夠的余地，將RAM大小設置為512 B，讀寫地址線各9根，并設置讀寫使能控制端口。圖3為系統(tǒng)的頂層模塊架構，核心模塊是RAM區(qū)的讀寫模塊，溫度、壓力、電壓、電流信號，以及來自機載計算機或北斗的指令、位置和狀態(tài)等信號流入RAM區(qū)，而存儲的數(shù)據(jù)需要從RAM區(qū)被讀取，通過UART串口模塊發(fā)送給機載計算機和北斗模塊。

2.2 通信模塊程序設計

通信模塊借助UART串口實現(xiàn)雙向通信。FPGA控制器向機載計算機和北斗模塊發(fā)送數(shù)據(jù)幀，同時實時接收它們的指令與狀態(tài)數(shù)據(jù)?？刂破飨騼蓚€RS422串口發(fā)送定位、主從板信息、狀態(tài)等數(shù)據(jù)幀，定位數(shù)據(jù)幀包含來自北斗模塊的定位信息，主從板數(shù)據(jù)幀囊括采集系統(tǒng)采集到的各類信息，狀態(tài)數(shù)據(jù)幀含有北斗模塊的狀態(tài)信息。此外，控制器向兩個RS232串口發(fā)送遙測數(shù)據(jù)幀和自檢數(shù)據(jù)幀，遙測數(shù)據(jù)幀由遙測幀頭、定位信息、主板或從板信息和遙測數(shù)據(jù)幀尾組成，自檢數(shù)據(jù)幀包括自檢信息的請求。同時，有3個UART串口實時接收來自機載計算機和北斗模塊的指令和狀態(tài)信息。程序運行時需要對各種數(shù)據(jù)幀頻繁讀寫操作，如果程序設計不合理，很容易造成程序死鎖或崩潰。鑒于串口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送沒有緊密地耦合，程序內部將數(shù)據(jù)接收和發(fā)送分成兩個子模塊來設計，然后在頂層模塊通過wire型變量連接。為了有效解決數(shù)據(jù)讀寫不紊亂的問題，設計狀態(tài)機來合理使用RAM區(qū)資源，增強程序的穩(wěn)定性。狀態(tài)機的空閑任務會出現(xiàn)連接兩個always塊的使能信號，設計watchdog程序增強程序的魯棒性。

2.2.1 RAM數(shù)據(jù)段劃分

本文設計了雙端口RAM數(shù)據(jù)結構，承載采集控制系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)。依據(jù)通信協(xié)議，針對512 B的RAM區(qū)，細致地進行了數(shù)據(jù)段的劃分，如圖4所示。按照發(fā)送頻次以及組幀要求，合理分配數(shù)據(jù)幀的存儲順序。這樣設計會使控制器讀寫更可靠安全，也使代碼編寫調試更簡捷。

2.2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)機設計

信息傳送模塊是連接地面指揮系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的紐帶。在臨空惡劣環(huán)境下，為了將采集到的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀況相關信息實時準確地傳送到地面指揮站，在軟件上進行了可靠性研究和處理。

首先對傳送的數(shù)據(jù)做了校驗處理，可通過上位機軟件測試傳輸數(shù)據(jù)幀是否正確，如果校驗失敗，可丟棄此幀。本系統(tǒng)的發(fā)送模塊既要發(fā)送主板信息又要發(fā)送從板信息，既要傳送給機載計算機又要傳送給北斗衛(wèi)星，發(fā)送幀的類型也有差異，因此，設計三段式狀態(tài)機穩(wěn)定地傳送數(shù)據(jù)，以免數(shù)據(jù)發(fā)送紊亂。在狀態(tài)機的空閑任務中，F(xiàn)PGA等待各種數(shù)據(jù)類型幀的觸發(fā)信號，一旦接收到啟動發(fā)送信號，進入到相應的發(fā)送狀態(tài)中，將對應的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到UART串口上，串口的觸發(fā)信號也因數(shù)據(jù)信息的差異而不同。在空閑任務中，接收到觸發(fā)信號后，需要實時對RAM區(qū)執(zhí)行寫操作，寫操作完成后再進入發(fā)送狀態(tài)，不免會引起程序死鎖。為了解決這個問題，提高程序的魯棒性，在等待寫操作的部分加入看門狗程序，一旦死鎖，可以強行將程序拉回到原始等待狀態(tài)。圖5為UART串口發(fā)送模塊的狀態(tài)機示意圖。

3 系統(tǒng)仿真與調試

數(shù)據(jù)系統(tǒng)的測試主要通過兩種手段：軟件仿真和借助上位機聯(lián)調。本系統(tǒng)用到的仿真工具有Quartus II開發(fā)環(huán)境提供的在線邏輯分析儀、信號探針、邏輯分析儀接口等，還有外部安裝性能強大的Modelsim仿真工具。例如，在調試具有讀寫應答的IIC通信的傳感器和基于SPI通信的傳感器時，使用在線邏輯分析儀直接觀察數(shù)據(jù)波形特征，能夠快速診斷并排查錯誤。利用Modelsim仿真工具時，需要先編寫對應模塊的testbench代碼，并添加到仿真工具中，運行仿真軟件。圖6為調試UART通信模塊波形圖，可觀察RAM的讀寫地址值與數(shù)據(jù)值的對應關系，驗證代碼的邏輯。尤其在調試狀態(tài)機的運行情況時，能夠很直觀地查看狀態(tài)時序邏輯的正確性。

當集中測試所有的模塊時，為了提高調試效率，利用了基于UART通信的上位機軟件。該軟件運行在Windows 10 系統(tǒng)上，它通過USB接口接收FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，并把信息可視化在面板上，直觀明了地看到FPGA采集到的數(shù)據(jù)。

4 結論

臨空環(huán)境有低溫、低壓、高輻射的特點，因此對運行在環(huán)境下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計要求極為嚴格。本文從軟硬件兩方面著手進行可靠性研究，設計了應對這種復雜環(huán)境的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，取得了良好的效果。該系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定地采集到傳感器數(shù)據(jù)，并能長時間穩(wěn)定地與北斗模塊和機載計算機通信，能夠通過地面控制系統(tǒng)發(fā)送指令控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

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