本發(fā)明涉及導彈、火箭、軍用戰(zhàn)車和戰(zhàn)機研發(fā)中對振動、沖擊、壓力、應變和溫度等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，具體是一種通道可擴展的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在火箭、導彈研制過程中，需要進行振動、沖擊等一系列測試，測試時需要實時監(jiān)測彈內(nèi)情況，把傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集后，由長線實時傳送到地面設備。以便隨時發(fā)現(xiàn)問題，及時采取措施，避免故障發(fā)生。為了保證導彈的設計、論證、研制能夠順利進行，有必要對導彈各個部件的試驗激勵參數(shù)進行實時監(jiān)測?，F(xiàn)有的導彈參數(shù)測試設備由于其自身結(jié)構(gòu)所限，存在通道固化、體積過大、抗沖擊能力相對較弱等問題，難以實現(xiàn)對導彈各個部件的試驗激勵參數(shù)進行同時監(jiān)測，不利于測試裝備的輕量化、集成化發(fā)展。基于此，有必要研制一種體積小、重量輕、功耗低、精度高、易擴展、易操作的通道可擴展的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以解決上述測試裝備存在的不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，所要解決的技術(shù)問題為：提供一種通道可擴展的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使其可用于導彈、火箭、軍用戰(zhàn)車和戰(zhàn)機等裝備在研制、生產(chǎn)以及日常維護中對振動、沖擊、壓力、應變和溫度等數(shù)據(jù)的采集和分析，能夠為裝備測試與評估提供直觀精確的數(shù)據(jù)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種通道可擴展的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括控制模塊、多個傳感器采集模塊和多個緩沖殼體，所述控制模塊和多個傳感器采集模塊分別通過灌封材料封裝后，分別單獨設置在緩沖殼體內(nèi)；多個所述傳感器采集模塊依次堆疊連接后與所述控制模塊堆疊連接，設置所述多個傳感器采集模塊的緩沖殼體之間的接觸表面上均設置有m-lvds通信接口和電源接口，每個傳感器采集模塊包括多路獨立的數(shù)據(jù)采集通道，所述傳感器采集模塊與所述控制模塊之間通過m-lvds多點互聯(lián)總線通信連接，所述控制模塊用于對所述傳感器采集模塊供電，控制所述傳感器采集模塊從傳感器采集數(shù)據(jù)、接收采集數(shù)據(jù)以及存儲采集數(shù)據(jù)。

所述控制模塊包括m-lvds總線接口電路，觸發(fā)接口電路、usb通信接口電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)緩存單元、flash存儲單元以及fpga基礎模塊，所述電壓轉(zhuǎn)換電路用于給所述控制模塊以及傳感器采集模塊供電，所述fpga基礎模塊通過m-lvds總線接口電路與所述傳感器采集模塊連接，通過觸發(fā)接口電路與外部觸發(fā)器連接，通過usb通信接口電路與計算機連接，所述fpga基礎模塊用于接收外部觸發(fā)器發(fā)送的觸發(fā)信號和上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)接收命令，以及根據(jù)所述出發(fā)信號和數(shù)據(jù)接收命令接收所述傳感器采集模塊采集的數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)編幀后發(fā)送到所述數(shù)據(jù)緩存單元和flash存儲單元進行存儲。

所述fpga基礎模塊包括m-lvds收發(fā)器通信管理單元、外部觸發(fā)管理單元、usb通信管理單元、數(shù)據(jù)緩存控制器，數(shù)據(jù)存儲控制器、控制命令發(fā)生器和仲裁單元，所述外部觸發(fā)管理單元與觸發(fā)接口電路和控制命令發(fā)生器連接，用于將觸發(fā)信號傳輸?shù)娇刂泼畎l(fā)生器，所述usb通信管理單元與usb通信接口電路和控制命令發(fā)生器連接，用于將計算機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收命令進行解析后發(fā)送到控制命令發(fā)生器，控制命令發(fā)生器與m-lvds收發(fā)器通信管理單元連接，用于根據(jù)觸發(fā)信號和數(shù)據(jù)接收命令生成數(shù)據(jù)采集命令后通過m-lvds收發(fā)器通信管理單元發(fā)送到傳感器采集模塊；m-lvds收發(fā)器通信管理單元與數(shù)據(jù)緩存控制器和數(shù)據(jù)存儲控制器連接，用于將傳感器采集模塊采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)編幀后發(fā)送到數(shù)據(jù)緩存單元、flash存儲單元存儲，所述仲裁單元與所述數(shù)據(jù)緩存控制器和usb通信管理單元連接，用于將數(shù)據(jù)緩存單元和flash存儲單元存儲的數(shù)據(jù)通過usb通信管理單元發(fā)送至計算機。

所述傳感器采集模塊包括接口模塊、程控放大模塊、程控濾波模塊、ad轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、m-lvds接口芯片、fpga核心控制器和電壓轉(zhuǎn)換模塊，所述接口模塊與傳感器連接，用于給所述傳感器供電以及接收傳感器采集信號，傳感器采集的信號經(jīng)所述接口模塊、程控放大模塊、程控濾波模塊后、ad轉(zhuǎn)換模塊后傳輸?shù)剿鰂pga核心控制器，所述fpga核心控制器通過fifo將數(shù)據(jù)緩存到所述數(shù)據(jù)緩存模塊，并在收到數(shù)據(jù)請求指令后，從fifo模塊中讀取數(shù)據(jù)并通過m-lvds接口芯片傳輸給控制模塊；所述fpga核心控制器用于判斷各個采集通道的狀態(tài)，并通過m-lvds總線發(fā)送給控制模塊，所述fpga核心控制器還用于接收所述控制模塊傳輸?shù)呐渲脜?shù)和采集指令，以及對所述程控放大模塊、程控濾波模塊后、ad轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)處理過程進行控制。

所述傳感器采集模塊分別為iepe傳感器采集模塊或橋式傳感器采集模塊；當所述傳感器采集模塊為iepe傳感器采集模塊時，所述接口模塊為iepe接口模塊，所述iepe接口模塊與iepe傳感器連接，用于給iepe傳感器提供恒流，以及接收iepe傳感器的采集信號；當所述傳感器采集模塊為橋式傳感器采集模塊時，所述接口模塊為橋式傳感器接口模塊，所述橋式傳感器接口模塊與橋式傳感器連接，用于給橋式傳感器提供電壓激勵，以及接收橋式傳感器的采集信號。

所述程控放大模塊包括儀表放大器ad8226和可變增益放大器ad603，所述程控濾波模塊包括四階巴特沃斯濾波電路和基于max264的程控濾波器；所述ad轉(zhuǎn)換模塊型號為ad7693。

每個所述傳感器采集模塊上設置有3個傳感器接口，所述傳感器采集模塊包括3個ad轉(zhuǎn)換模塊，形成3路獨立的采集通道。

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括10個傳感器采集模塊。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

1、本發(fā)明的一種通道可擴展的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用微型結(jié)構(gòu)化設計思想，通過將多個傳感器采集模塊與控制模塊分別單獨設置在緩沖殼體內(nèi)，并分別通過緩沖殼體上的m-lvds多點互聯(lián)總線連接，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)采集通道的靈活、有效擴展，數(shù)據(jù)采集通道可擴展至30個，單通道最高采樣率為500ksa/s，有效數(shù)據(jù)位寬為16位，采樣帶寬為0~40khz；

2、本發(fā)明的一種通道可擴展的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳感器采集模塊中，將信號放大、濾波、采集、存儲和傳輸?shù)冗^程按模塊化設計，在保證功能的控制上盡量縮小系統(tǒng)的占用空間，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性；

3、此外，本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適用于各種惡劣環(huán)境下對振動、沖擊、壓力、應變和溫度等數(shù)據(jù)的采集，可應用于對武器裝備的檢驗及性能評估，提升我國對軍事裝備的維護和保障能力。

附圖說明

圖1為控制模塊的外形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為iepe傳感器采集模塊的外形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為橋式傳感器采集模塊的外形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提出的一種通道可擴展的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例提出的一種通道可擴展的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為控制模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為橋式傳感器采集模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為iepe傳感器采集模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為計算機中的整機軟件層次框圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例；基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1~5所示，本發(fā)明實施例提供了一種通道可擴展的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括控制模塊1、多個傳感器采集模塊2和多個緩沖殼體3，所述控制模塊2和多個傳感器采集模塊2分別通過灌封材料封裝后，分別單獨設置在緩沖殼體3內(nèi)；多個所述傳感器采集模塊2依次堆疊連接后與所述控制模塊堆疊連接，設置所述多個傳感器采集模塊2的緩沖殼體之間的接觸表面上均設置有m-lvds通信接口和電源接口，每個傳感器采集模塊包括多路獨立的數(shù)據(jù)采集通道，所述傳感器采集模塊與所述控制模塊之間通過m-lvds多點互聯(lián)總線通信連接，所述控制模塊用于對所述傳感器采集模塊供電，控制所述傳感器采集模塊從傳感器采集數(shù)據(jù)、接收采集數(shù)據(jù)以及存儲采集數(shù)據(jù)。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)設計采用模塊化疊加的設計方法，為了使堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠應用于強振動、高沖擊等復雜而惡劣的環(huán)境，必須采取有效的防護措施，以保證在高沖擊環(huán)境下所研制微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠正常工作。為了減少外部沖擊力對微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，采取了緩沖保護技術(shù)、灌封保護技術(shù)和微型化技術(shù)，這些措施可以有效地提高微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗沖擊能力。通過采用緩沖保護技術(shù)，利用緩沖體的彈塑性變形減弱外部沖擊，能有效保護內(nèi)部電路。緩沖體除了起緩沖減振作用外，它還能夠有效地隔離或衰減載體與目標撞擊時在其內(nèi)部形成的應力波，并防止微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與載體之間的鋼性撞擊。此外，系統(tǒng)采取灌封保護技術(shù)，將加工好的電路采用特制灌封材料進行封裝，使其成為結(jié)構(gòu)一體化的電路體，使系統(tǒng)能可靠地工作。通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，相關電路進行簡化設計，使所用元器件數(shù)量最少，功耗最低，多采用平面封裝的fpga和ic器件，并采取特殊的pcb板加工工藝，以有效地減小電路模塊的體積，以10的數(shù)據(jù)采集模塊為例，本發(fā)明的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的尺寸可以減小到65mm×65mm×170mm。從而有效地提高系統(tǒng)的抗沖擊能力，增加系統(tǒng)的環(huán)境適應性。

進一步地，如圖5和圖6所示，所述控制模塊包括m-lvds總線接口電路，觸發(fā)接口電路、usb通信接口電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)緩存單元、flash存儲單元以及fpga基礎模塊，所述電壓轉(zhuǎn)換電路用于給所述控制模塊以及傳感器采集模塊供電，所述fpga基礎模塊通過m-lvds總線接口電路與所述傳感器采集模塊連接，通過觸發(fā)接口電路與外部觸發(fā)器連接，通過usb通信接口電路與計算機連接，所述fpga基礎模塊用于接收外部觸發(fā)器發(fā)送的觸發(fā)信號和上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)接收命令，以及根據(jù)所述出發(fā)信號和數(shù)據(jù)接收命令接收所述傳感器采集模塊采集的數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)編幀后發(fā)送到所述數(shù)據(jù)緩存單元和flash存儲單元進行存儲。

進一步地，如圖6所示，所述fpga基礎模塊包括m-lvds收發(fā)器通信管理單元、外部觸發(fā)管理單元、usb通信管理單元、數(shù)據(jù)緩存控制器，數(shù)據(jù)存儲控制器、控制命令發(fā)生器和仲裁單元，所述外部觸發(fā)管理單元與觸發(fā)接口電路和控制命令發(fā)生器連接，用于將觸發(fā)信號傳輸?shù)娇刂泼畎l(fā)生器，所述usb通信管理單元與usb通信接口電路和控制命令發(fā)生器連接，用于將計算機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收命令進行解析后發(fā)送到控制命令發(fā)生器，控制命令發(fā)生器與m-lvds收發(fā)器通信管理單元連接，用于根據(jù)觸發(fā)信號和數(shù)據(jù)接收命令生成數(shù)據(jù)采集命令后通過m-lvds收發(fā)器通信管理單元發(fā)送到傳感器采集模塊；m-lvds收發(fā)器通信管理單元與數(shù)據(jù)緩存控制器和數(shù)據(jù)存儲控制器連接，用于將傳感器采集模塊采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)編幀后發(fā)送到數(shù)據(jù)緩存單元、flash存儲單元存儲，所述仲裁單元與所述數(shù)據(jù)緩存控制器和usb通信管理單元連接，用于將數(shù)據(jù)緩存單元和flash存儲單元存儲的數(shù)據(jù)通過usb通信管理單元發(fā)送至計算機，其中，數(shù)據(jù)緩存單元可以為ddr2sdram，數(shù)據(jù)緩存控制器可以為ddr2sdram控制器。

進一步地，如圖5所示，所述傳感器采集模塊包括接口模塊、程控放大模塊、程控濾波模塊、ad轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、m-lvds接口芯片、fpga核心控制器和電壓轉(zhuǎn)換模塊，所述接口模塊與傳感器連接，用于給所述傳感器供電以及接收傳感器采集信號，傳感器采集的信號經(jīng)所述接口模塊、程控放大模塊、程控濾波模塊后、ad轉(zhuǎn)換模塊后傳輸?shù)剿鰂pga核心控制器，所述fpga核心控制器通過fifo將數(shù)據(jù)緩存到所述數(shù)據(jù)緩存模塊，并在收到數(shù)據(jù)請求指令后，從fifo模塊中讀取數(shù)據(jù)并通過m-lvds接口芯片傳輸給控制模塊；所述fpga核心控制器用于判斷各個采集通道的狀態(tài)，并通過m-lvds總線發(fā)送給控制模塊，所述fpga核心控制器還用于接收所述控制模塊傳輸?shù)呐渲脜?shù)和采集指令并發(fā)送到所述接口模塊，以及對所述程控放大模塊、程控濾波模塊后、ad轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)處理過程進行控制，數(shù)據(jù)緩存模塊可以為idt7208。

進一步地，如圖5、圖7和圖8所示，傳感器采集模塊可以分別為iepe傳感器采集模塊或橋式傳感器采集模塊；當所述傳感器采集模塊為橋式傳感器采集模塊時，所述接口模塊為橋式傳感器接口模塊，所述橋式傳感器接口模塊與橋式傳感器連接，用于給橋式傳感器提供電壓激勵，以及接收橋式傳感器的采集信號；當所述傳感器采集模塊為iepe傳感器采集模塊時，所述接口模塊為iepe接口模塊，所述iepe接口模塊與iepe傳感器連接，用于給iepe傳感器提供恒流，以及接收iepe傳感器的采集信號。橋式傳感器指的是橋路原理的傳感器，iepe傳感器指的是一種自帶電量放大器或電壓放大器的加速度傳感器。橋式傳感器采集模塊采集信號的輸入量程為0.1~4.9v，以2.5v為偏置中心；采集信號帶寬為dc至40khz，單通道最高采樣率為500ksa/s，橋式傳感器采集模塊對傳感器供電電壓為5v，開關可控，可外接3線制或4線制橋式傳感器。iepe傳感器采集模塊采集信號的輸入量程為0.5～23.5v，以12v為偏置中心；采集信號帶寬為dc至40khz，單通道最高采樣率為500ksa/s，；模塊對傳感器供電電壓為12v，開關可控；可實現(xiàn)0db~+62.14db之間的增益調(diào)整。

進一步地，所述程控放大模塊包括儀表放大器ad8226和可變增益放大器ad603，所述程控濾波模塊包括四階巴特沃斯濾波電路和基于max264的程控濾波器；所述ad轉(zhuǎn)換模塊型號為ad7693，數(shù)據(jù)位寬為16位。為了提高采集系統(tǒng)對微弱信號的采集能力，使采集信號的幅值與a/d轉(zhuǎn)換芯片的輸入量程相一致，采用兩級放大的方式對采集信號做放大處理。采用儀表放大器ad8226和可變增益放大器ad603設計程控增益放大電路，通過兩級放大對信號進行調(diào)理。程控濾波模塊主要根據(jù)濾波參數(shù)對采集信號進行程控濾波。程控濾波模塊主要由四階巴特沃斯濾波電路與基于max264的程控濾波器組成，可實現(xiàn)0db~+62.14db之間的增益調(diào)整，內(nèi)置巴特沃斯濾波器截止頻率為40khz；能根據(jù)被采集信號的帶寬對程控濾波器的q值以及截止頻率進行調(diào)節(jié)，通過設置不同的工作方式可以實現(xiàn)不同的濾波功能。本發(fā)明中程控濾波電路的核心電路可以是程控開關電容濾波器max264，通過fpga來實現(xiàn)程控功能。

進一步地，如圖5所示，每個所述傳感器采集模塊上設置有3個傳感器接口，所述傳感器采集模塊包括3個ad轉(zhuǎn)換模塊，形成3路獨立的采集通道。

進一步地，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括10個傳感器采集模塊，則本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以擴展到30個數(shù)據(jù)采集通道。

如圖9所示，本發(fā)明的系統(tǒng)軟件設計采用面向?qū)ο蟮脑O計方法。整機軟件采用win7作為開發(fā)平臺，整個軟件設計采用模塊化思想，主要包括主控程序、設備驅(qū)動程序、參數(shù)配置程序和模塊功能程序。通道可擴展的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機是一個以硬件為控制，軟件、硬件緊密結(jié)合的整體，具體包括輸入?yún)?shù)配置模塊、存儲參數(shù)配置模塊、程控參數(shù)配置模塊、標定參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊、數(shù)據(jù)存儲控制模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、波形顯示模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、以太網(wǎng)接口驅(qū)動、usb接口驅(qū)動等部分。應用程序主界面設計為幾個功能獨立的區(qū)域，依次為功參數(shù)設置區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)、數(shù)據(jù)分析區(qū)、功能菜單區(qū)。用戶可以通過上位機實時控制每一個通道采集，具備對微弱信號放大與濾波等調(diào)理過程的程序控制，能通過上位機輸入配置信息，并支持數(shù)據(jù)回放。

本發(fā)明一種通道可擴展的堆疊式微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將信號放大、濾波、采集、存儲和傳輸?shù)冗^程按模塊化設計，在保證功能的控制上盡量縮小系統(tǒng)的占用空間，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性，抗沖擊能力可達1000g，通過可視化人機交互式界面進行操作，具備實用性強的軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā)等多種觸發(fā)方式；采集系統(tǒng)滿載時單通道最高采樣率為500ksa/s，有效數(shù)據(jù)位寬為16位，采樣帶寬為0~40khz；采集通道的數(shù)量可根據(jù)具體測試情況靈活擴展，單個采集堆疊最多可擴展至30個采集通道；采集模塊擁有64kb的緩存容量，控制模塊擁有32gb的存儲空間，可以實時記錄采集數(shù)據(jù)；具有數(shù)據(jù)管理功能，具備usb3.0標準接口；具有連接橋式傳感器、iepe類型傳感器的功能；具有按通道顯示數(shù)據(jù)波形以及數(shù)據(jù)分析與處理等功能。可用于導彈、火箭、軍用戰(zhàn)車和戰(zhàn)機等裝備在研制、生產(chǎn)以及日常維護中對振動、沖擊、壓力、應變和溫度等數(shù)據(jù)的采集和分析，能夠為裝備測試與評估提供直觀精確的數(shù)據(jù)。能夠極大地方便武器裝備對數(shù)據(jù)的獲取、傳輸、處理與分析能力，為武器裝備的研制、測試和試驗提供重要的數(shù)據(jù)支持，以進一步提高武器裝備的可靠性。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。