基于CAN的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

近年來隨著我國航空工業(yè)的不斷壯大，我國航空發(fā)動機(jī)的自主設(shè)計(jì)研制進(jìn)程也越來越快。在任何型號航空發(fā)動機(jī)定型之前都要經(jīng)過各種嚴(yán)格的測試，如振動、壓力、噪聲、轉(zhuǎn)速及發(fā)動機(jī)電子控制單元輸出信號的檢測等。通過對其進(jìn)行的各項(xiàng)測試才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)其設(shè)計(jì)缺陷，并根據(jù)測試記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)。因此設(shè)計(jì)完成一套適合航空發(fā)動機(jī)動態(tài)測試的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就顯得尤為重要了。

航空發(fā)動機(jī)的動態(tài)測試需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合上位機(jī)來完成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將各傳感器及發(fā)動機(jī)控制單元輸出的信號進(jìn)行調(diào)理、采集、分析處理后上傳至上位機(jī)，并及時(shí)接收發(fā)動機(jī)的電子控制單元輸出的數(shù)字信號，配合上位機(jī)完成相應(yīng)的控制?，F(xiàn)有測試當(dāng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都是采用數(shù)據(jù)采集卡，另外配備調(diào)理電路完成的。采集卡雖然通用性較強(qiáng)，但對于特定系統(tǒng)就會暴露其缺點(diǎn)，如電磁兼容性差、沒有相應(yīng)的信號調(diào)理電路、不具有總線接口與其他設(shè)備通信困難、價(jià)格昂貴等，這使得整個(gè)測試系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)難度加大。因此針對現(xiàn)有問題設(shè)計(jì)一款小型化、配備特定信號調(diào)理電路、接口靈活、便于組網(wǎng)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由ARM7設(shè)備端、調(diào)理電路模塊、數(shù)據(jù)采集單元、CAN總線模塊4部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。ARM7是該系統(tǒng)的核心部分，完成對外圍電路的控制、數(shù)據(jù)的分析處理以及數(shù)據(jù)的傳輸控制等，它提供給用戶SPI總線接口、CAN總線接口、I/O邏輯端口以及調(diào)試端口等。測試傳感器、發(fā)動機(jī)電子控制單元輸出的各信號及電源信號首先經(jīng)過調(diào)理電路，將其通過運(yùn)算放大器和相應(yīng)的高精度電阻按照一定比例調(diào)理成適合A/D輸入范圍的要求后進(jìn)人數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)采集單元主要由3片共48路模擬輸入的AD7490及外圍電路組成，數(shù)據(jù)采集單元將采集得到的數(shù)據(jù)通過SPI總線送給微處理器ARM7，微處理器對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后通過CAN總線上傳至上位機(jī)，配合上位機(jī)完成各種控制、性能分析及數(shù)據(jù)記錄。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1調(diào)理電路

傳感器及發(fā)動機(jī)電子控制單元輸出的信號種類很多，有直流電壓信號、交流電壓信號、脈沖信號、方波信號等，且這些信號有弱有強(qiáng)。為減小電磁干擾對弱信號的影響并提高其系統(tǒng)識別能力、減小強(qiáng)信號對系統(tǒng)的破壞性影響，必須將這些信號通過調(diào)理電路完成相應(yīng)的隔離、放大、濾波、整形等變換，把原始信號按照一定比例調(diào)理成適合數(shù)據(jù)采集單元AD7490模擬輸入范圍要求的信號。頻率信號則通過放大、濾波、整形電路后轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?，方波信號的下降沿觸發(fā)ARM7內(nèi)部捕獲單元的計(jì)數(shù)器，通過計(jì)數(shù)器差值換算獲得其頻率。

圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶需要，該系統(tǒng)的微處理器選用Philips公司的32位ARM7處理器IPC2292，該芯片具有運(yùn)算速度快、接口豐富、I/O擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。LPC2292具有SPI總線接口，通信時(shí)鐘最高可為系統(tǒng)時(shí)鐘的1/8，便于和擴(kuò)展A/D連接。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是完成各傳感器及發(fā)動機(jī)電子控制單元輸出的多路模擬信號的快速高精度采集與傳輸。為便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)與操作，增強(qiáng)系統(tǒng)對各信號的適應(yīng)性，必須選擇一款多通道、快速、高精度、接口靈活的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD7490是一款12位、16通道、低功耗、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，當(dāng)其工作電壓為5v時(shí)最高采樣率可達(dá)到1MS/s，其數(shù)據(jù)輸出接口為通用串行SPI總線。該芯片的工作電源和數(shù)字接口電源相互獨(dú)立，當(dāng)其工作電壓為5V時(shí)，數(shù)字接口電壓為5V或是3.3V，這就使得該芯片便于和各種微處理器連接，不存在接口電壓不匹配的問題。同時(shí)其模擬輸入電壓范圍可以通過微處理器向其內(nèi)部的相應(yīng)寄存器寫人命令字調(diào)節(jié)。這使得該芯片操作上具有很強(qiáng)的靈活性，軟件設(shè)計(jì)簡單，其各方面都滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

SPI是一種全雙工的串行總線，在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中SPI總線上具有一個(gè)主機(jī)和3個(gè)從機(jī)。LPC2292作為主機(jī)，3片AD7490作為從機(jī)，為確保總線上主機(jī)地位的唯一性所以把ARM7接口的SSELO腳上拉，主機(jī)通過I/O邏輯單元控制選擇從機(jī)，接口原理圖如圖2所示。當(dāng)主機(jī)確定從機(jī)之后將通過SPI總線向從機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)換命令字，同時(shí)從機(jī)將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通過SPI總線發(fā)送給主機(jī)。這樣一片ARM7微控制器控制48路模擬信號的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，降低了采用多路開關(guān)控制的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖2 AD7490與IPC2292接口原理圖

3 A/D非線性誤差標(biāo)定

實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，模擬信號一般要經(jīng)過放大、濾波、整流等電路后將信號調(diào)理成適合A/D模擬輸入范圍的要求。一般情況下，實(shí)際物理量與采集得到的數(shù)字量之間都會有一定的誤差，并存在一定的非線性關(guān)系。電子元器件自身生產(chǎn)工藝、外界環(huán)境、支撐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路、參考電壓及工作電源的不穩(wěn)定等都是導(dǎo)致實(shí)際物理量y與微處理器獲得的數(shù)字量x之間存在非線性關(guān)系的重要因素。為了獲得較真實(shí)的數(shù)據(jù)必須對系統(tǒng)進(jìn)行校正。