基于AD7173的多通道數(shù)據(jù)采集高速存儲系統(tǒng)

牛婉琳 劉磊 甄國涌 焦新泉 李輝景 宋坤濤

摘要：為解決測試系統(tǒng)中彈內(nèi)空間狹小、無法同時容納多套傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的問題.設計基于AD7173的多通道數(shù)據(jù)采集高速存儲系統(tǒng)，實現(xiàn)對多傳感器（四軸MEMS加速度計、四軸MEMS陀螺儀、三軸地磁傳感器和溫度傳感器）的高精度采集存儲。選用∑一△型高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7173實現(xiàn)對多路傳感器信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換時實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，并通過芯片的RDY引腳作為STM32外部中斷來判斷是否轉(zhuǎn)換完成，以此來實現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集，并通過流水線設計實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速存儲。試驗結(jié)果表明：輸入角速率與敏感角速率誤差控制在±0.0017°/s以內(nèi)。對多個傳感器的采集驗證表明該數(shù)據(jù)采集高速存儲系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對多通道信息的高精度采集存儲，具有一定的工程應用價值。

關(guān)鍵詞：高精度數(shù)據(jù)采集；高速數(shù)據(jù)存儲；多通道；MEMS傳感器

0引言

在國外，因為數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)研發(fā)較早，所以在技術(shù)方面占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢，如美國DT公司、法國ETEP公司以及奧地利DEWESOFT公司等。ETEP公司的產(chǎn)品主要優(yōu)勢是可在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定運行，其中S800屬于較經(jīng)典一款，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達800MB/s，支持存儲器最大容量為8TB，傳輸媒介支持多樣化，比如USB、光纖電纜、CAN等。DEWESOFT公司新一代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅配備具有隔離作用的輸入放大器，而且還實現(xiàn)160 dB的超高動態(tài)范圍，可達每通道200 kHz的采樣率，同步智能實時計數(shù)器。

我國相比較國外的研發(fā)水平有一定的差距，這是由于研發(fā)與設計起步較晚。但經(jīng)過多年的努力，我國也出現(xiàn)一些有競爭力的單位，比如中北大學、北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司等。中北大學在國內(nèi)數(shù)據(jù)采集存儲方面所研制的產(chǎn)品主要面向航天、航海及軍事領(lǐng)域，最典型的案例就是輔助我國成功完成天宮二號的發(fā)射，并且能夠完整地獲取相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，為我國載人航天工程做出貢獻。

目前我國大多數(shù)常規(guī)炮彈采用微慣性測量系統(tǒng)進行慣性制導與控制，炮彈在發(fā)射到落地的過程中其滾轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速和加速度的變化量較大，若采用單一量程傳感器，會導致測量精度降低，所以采用冗余設計來解決此問題。由于傳感器數(shù)量的增加且彈內(nèi)空間狹小，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)難以實現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)設計的基于AD7173的多通道數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)最大可以實現(xiàn)對十六通道信息的高精度實時采集存儲，通過回收固態(tài)存儲器中的數(shù)據(jù)，可以分析飛行過程中記錄的各項指標性能。

1系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)對多路模擬信號的高精度采集存儲，STM32單片機控制高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7173，將經(jīng)過信號調(diào)理后的傳感器輸出模擬信號進行采樣、量化，然后將數(shù)據(jù)在單片機內(nèi)部進行編幀和緩存，最后再控制將數(shù)據(jù)存儲到大容量的固態(tài)存儲器Hash中。系統(tǒng)硬件設計框圖如圖1所示，由電源模塊、信號調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、存儲模塊和控制模塊組成。

系統(tǒng)由電源模塊供電，電源輸出的可靠性和精度會直接影響到整個系統(tǒng)的性能指標?？紤]到機載和彈載的特殊應用環(huán)境，本設計選用質(zhì)量輕、能量密度高的鋰電池作為系統(tǒng)的外部供電電源，系統(tǒng)內(nèi)部選用REGl04-5為信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊供電，選用AMS1117-3.3為單片機和Flash存儲模塊供電。

信號調(diào)理電路的作用主要是對待測信號進行放大、濾波等操作轉(zhuǎn)換成為采集設備能夠識別的標準信號。

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換精度決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣精度，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用低功耗、高精度、快速建立的24位∑-A型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7173。該芯片采用三線SPI通信方式，地址、命令、數(shù)據(jù)線共用一個SPI接口，在很大程度上減少了I/O口的使用量：其內(nèi)部集成數(shù)字濾波器可產(chǎn)生2.5 v參考電壓，降低了外圍電路的復雜程度。

存儲模塊用于存機載和彈載測試系統(tǒng)輸出的傳感器原始數(shù)據(jù)，以便飛行試驗后對系統(tǒng)回收后進行數(shù)據(jù)的回讀、解算和分析。因飛行器飛行時間相對較短、動態(tài)性高，所以需要進行短時、快速的數(shù)據(jù)存儲。

控制模塊采用基于Contex-M4架構(gòu)的32位STM32F405RGT6型微控單元，其主頻可達168 MHz，讓數(shù)據(jù)的快速傳輸和存儲成為可能。其主要功能為對模數(shù)轉(zhuǎn)換的控制，數(shù)據(jù)的編幀、傳輸和存儲等。

2系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)以STM32為主控單元，通過SPI串口控制模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對傳感器輸出的模擬信號進行采樣、保持并判斷模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是否轉(zhuǎn)換完成，然后通過對轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)字信號進行編幀并存儲于Flash中。系統(tǒng)的程序流程框圖如圖2所示。

2.1 A/D采集

AD7173采用SPI接口進行數(shù)字通信，工作模式為SPI模式3：通過配置ADCMODE、IFMODE等寄存器使芯片工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式和非連續(xù)讀取模式并在24位數(shù)據(jù)前附加讀取時的狀態(tài)信息（ADC和串行接口的狀態(tài)信息），以便實時檢測數(shù)據(jù)的正確性。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，通過RDY引腳作為STM32外部中斷來判斷是否轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換完成后控制模數(shù)將數(shù)據(jù)通過SPI傳輸給STM32進行編幀、緩存。

2.2數(shù)據(jù)緩存

本系統(tǒng)采用的AD7173最高采樣率為31250S/s，每通道數(shù)據(jù)為4B，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的Flash采用頁編程，每頁的最短編程時間為200μs，在頁編程期間會產(chǎn)生25 B左右的數(shù)據(jù)，為了保證數(shù)據(jù)的完整性，故采用循環(huán)數(shù)組的方式來緩存數(shù)據(jù)。

循環(huán)數(shù)組實現(xiàn)方式為：設指針兩個變量分別指示隊列頭元素和尾元素，初始化時，令隊列頭元素和尾元素等于0。當有新數(shù)據(jù)寫入隊列尾時，尾元素加1；當讀出數(shù)據(jù)時，頭元素加1；當頭元素或者尾元素為最大隊列數(shù)時，將其置0，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)緩存。

2.3Flash高速存儲

高速存儲常用方法為多片NAND Flash構(gòu)建存儲陣列。在存儲陣列基礎上，流水線設計為常用高速存儲技術(shù)之一。流水線操作原理如圖3所示。

由圖3可知，加載完第1片F(xiàn)lash數(shù)據(jù)后，進入busy狀態(tài)，然后把數(shù)據(jù)送入第2片F(xiàn)lash；加載完第2片F(xiàn)lash數(shù)據(jù)后，再把數(shù)據(jù)送人下一片F(xiàn)lash；同理，加載完第Ⅳ片F(xiàn)lash數(shù)據(jù)后，第Ⅳ片進入busy狀態(tài)，此時已完成第1片F(xiàn)lash數(shù)據(jù)的加載，進入readv狀態(tài)，可以進行數(shù)據(jù)加載，再次將數(shù)據(jù)送入第1片F(xiàn)lash。通過循環(huán)上述操作可完成高速數(shù)據(jù)的持續(xù)存儲。

Hash存儲芯片數(shù)據(jù)加載時間為164.13μs，頁編程時間560 μs，至少需要5片才能滿足以上流水線操作。因為第1片數(shù)據(jù)加載完之后的4片數(shù)據(jù)加載時間為164.13 μsx4=656.52μs，正好大于第1片頁編程時間，能夠滿足流水線操作。每個存儲芯片內(nèi)部有兩個target，相當于兩片Hash，因此本設計選用3個Flash芯片完成流水線操作。理想狀態(tài)時（不考慮無效塊識別、地址操作、以及每個Flash之間切換），這3個Flash芯片（6片F(xiàn)lash）可達到8 KB+164.13μs=47.599 MB/s存儲速度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速存儲。

3系統(tǒng)驗證

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是對多路模擬信號的高精度采集與傳輸，采用靜態(tài)測試和動態(tài)測試來驗證本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是否可靠可行。

3.1靜態(tài)測試

利用本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以31 250S/s的采樣率對多個干電池進行電壓采集，讀出Hash中的數(shù)據(jù)，利用上位機進行數(shù)據(jù)分離，將3 B的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進制記為x，AD7173輸出電壓的模擬量u與數(shù)字量x的對應關(guān)系為

根據(jù)式（1），利用Matlab將其中一個通道采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電壓值，并繪出相應的關(guān)系如圖4所示，噪聲0.1 mV左右。經(jīng)測試，本采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)正確有效，無錯幀、丟幀現(xiàn)象。

3.2動態(tài)測試

利用本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對某慣性組合傳感器（三軸陀螺、三軸加速度計、三軸地磁傳感器、一軸高過載傳感器）進行采集，其中三軸MEMS陀螺（±75°/s）在9組不同轉(zhuǎn)速的組態(tài)下（-75°/s，-50°/s，-30°/s，-10°/s，0°/s，10°/s，30°/s，50°/s，75°/s）進行采集，每個組態(tài)穩(wěn)定20 s。用Matlab對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的原始數(shù)據(jù)進行分離，MEMS陀螺的輸出電壓與敏感角速率大小之間的關(guān)系，即MEMS陀螺的一階模型為

由式（2）可以將陀螺輸出的電壓值轉(zhuǎn)換為其敏感角速率的大小，并將其與三軸轉(zhuǎn)臺外框的實際轉(zhuǎn)動角速率進行對比，結(jié)果如表1所示，誤差控制在±0.0017°/s以內(nèi)。經(jīng)測試，本采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多路傳感器信息的高精度采集。

4結(jié)束語

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用AD7173與STM32F405RGT6完成對數(shù)據(jù)的采集處理，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的多通道、高精度采集，能夠?qū)崟r存儲采集到的數(shù)據(jù)，而且系統(tǒng)外圍電路簡單，程序可移植性高，系統(tǒng)功能擴展容易。經(jīng)試驗證，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠滿足一般的工程性應用要求。