分布式微型数据采集系统的制作方法

本发明涉及航空航天试验分析、汽车安全测试、爆炸测试、飞行器测试领域的数据采集系统，具体涉及一种分布式微型数据采集系统。

背景技术：

在航空航天试验分析、汽车安全测试、爆炸测试、振动冲击测试、飞行器测试中，主要依靠数据采集系统获取装备系统各部件的工作参数和环境数据，为评定装备的性能及故障定位提供依据。通过在装备研制、生产以及日常维护中对振动、冲击、压力、应变和温度等数据的采集和分析，能够为装备测试与评估提供直观、精确的数据。数据采集系统的可靠性是武器设备试验成败的关键因素。当前在目前的装备测试中需要测试的指标很多，使用多种仪器搭建的综合测试系统所用仪器种类繁多、体积大，安装不便，难以提高测试效率，随着电子技术的不断发展和日益成熟，国内的数据采集系统正在朝着微型化、高精度、高采样率、大容量、网络化的方向快速发展。对于大型装备系统的测试，往往需要更加全面、多方位的测试数据来精确描述被测系统，因此需要对数据采集通道数量进行扩展。

技术实现要素：

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种分布式微型数据采集系统，以实现多通道的分布式数据采集和上传。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种分布式微型数据采集系统，包括上位机、分布式采集阵列管理模块和多个数据采集堆叠，所述分布式阵列管理模块与所述上位机连接，所述分布式阵列管理模块上设置有多个链路接口，多个采集链路分别通过所述链路接口与所述分布式采集阵列管理模块连接，每个所述采集链路由多个所述数据采集堆叠通过级联总线连接而成，同一采集链路中，各个数据采集堆叠的级联模式被配置为菊花链连接方式；每个所述数据采集堆叠均包括控制模块和多个传感器采集模块，所述多个传感器采集模块依次堆叠连接后与所述控制模块连接，每个传感器采集模块包括多路独立的数据采集通道，所述传感器采集模块通过m-lvds通信总线与所述控制模块连接；所述控制模块上设置有2个级联端口，所述2个级联端口用于将所述控制模块与上下级数据采集堆叠或分布式采集阵列管理模块连接，所述控制模块用于对所述多个传感器采集模块的各个数据采集通道实现管理、发送控制指令、接收采集数据、存储数据及给所述传感器采集模块供电。

所述分布式采集阵列管理模块包括通信接口模块、触发管理器、控制命令发生器、数据链路选择器、与多个链路接口一一对应连接的多个数据接收器、数据缓存控制器、数据缓存模块；所述分布式采集阵列管理模块上还设置有以太网接口电路、usb接口电路、和触发接口电路；所述通信接口模块通过以太网接口电路或usb接口电路与上位机连接，所述通信接口模块与控制命令发生器、数据缓存控制器连接；所述数据链路选择器与控制命令发生器、数据缓存控制器、以及多个数据接收器连接；所述数据缓存控制器与所述数据缓存模块连接；所述控制命令发生器通过触发管理器与触发接口电路连接；所述通信接口模块用于接收并解析上位机命令，并发送至控制命令发生器，控制命令发生器将上位机命令中的采集指令写入寄存器，并通过数据链路选择器将采集指令发送到对应的链路接口，实现对对应采集链路中的采集堆叠的控制；从链路接口传输的采集堆叠中的数据，通过数据接收器、数据链路选择器后，由所述数据缓存控制器写入数据缓存模块中进行缓存，并通过所述通信接口模块上传至上位机。

所述分布式阵列管理模块上设置有4个链路接口，4个采集链路分别通过所述链路接口与所述分布式采集阵列管理模块连接，每个所述采集链路由3述数据采集堆叠通过级联总线连接；每个所述数据采集堆叠包括10个传感器采集模块，每个传感器采集模块上设置有3个数据采集通道。

所述控制模块包括m-lvds总线接口电路，触发接口电路、级联接口电路、电压转换电路、数据缓存单元、flash存储单元以及fpga基础模块，所述电压转换电路用于给所述控制模块以及传感器采集模块供电，所述fpga基础模块通过m-lvds总线接口电路与所述传感器采集模块连接，通过触发接口电路与外部触发器连接，通过级联接口电路与上下级数据采集堆叠或分布式采集阵列管理模块连接，所述fpga基础模块用于接收外部触发器发送的触发信号和上位机发送的数据接收命令，以及根据所述出发信号和数据接收命令接收所述传感器采集模块采集的数据并进行数据编帧后发送到所述数据缓存单元和flash存储单元进行存储。

所述fpga基础模块包括m-lvds收发器通信管理单元、外部触发管理单元、usb通信管理单元、数据缓存控制器，数据存储控制器、控制命令发生器和仲裁单元，所述外部触发管理单元与触发接口电路和控制命令发生器连接，用于将触发信号传输到控制命令发生器，所述级联管理单元与级联接口电路和控制命令发生器连接，用于将上位机传输的数据接收命令进行解析后发送到控制命令发生器，控制命令发生器与m-lvds收发器通信管理单元连接，用于根据触发信号和数据接收命令生成数据采集命令后通过m-lvds收发器通信管理单元发送到传感器采集模块；m-lvds收发器通信管理单元与数据缓存控制器和数据存储控制器连接，用于将传感器采集模块采集的数据进行数据编帧后发送到数据缓存单元、flash存储单元存储，所述仲裁单元与所述数据缓存控制器和usb通信管理单元连接，用于将数据缓存单元和flash存储单元存储的数据通过级联接口发送至上位机。

所述传感器采集模块包括接口模块、程控放大模块、程控滤波模块、ad转换模块、数据缓存模块、m-lvds接口芯片、fpga核心控制器和电压转换模块，所述接口模块与传感器连接，用于给所述传感器供电以及接收传感器采集信号，传感器采集的信号经所述接口模块、程控放大模块、程控滤波模块后、ad转换模块后传输到所述fpga核心控制器，所述fpga核心控制器通过fifo将数据缓存到所述数据缓存模块，并在收到数据请求指令后，从fifo模块中读取数据并通过m-lvds接口芯片传输给控制模块；所述fpga核心控制器用于判断各个采集通道的状态，并通过m-lvds总线发送给控制模块，所述fpga核心控制器还用于接收所述控制模块传输的配置参数和采集指令，以及对所述程控放大模块、程控滤波模块后、ad转换模块的数据处理过程进行控制。

所述传感器采集模块分别为iepe传感器采集模块或桥式传感器采集模块；当所述传感器采集模块为iepe传感器采集模块时，所述接口模块为iepe接口模块，所述iepe接口模块与iepe传感器连接，用于给iepe传感器提供恒流，以及接收iepe传感器的采集信号；当所述传感器采集模块为桥式传感器采集模块时，所述接口模块为桥式传感器接口模块，所述桥式传感器接口模块与桥式传感器连接，用于给桥式传感器提供电压激励，以及接收桥式传感器的采集信号。

所述程控放大模块包括仪表放大器ad8226和可变增益放大器ad603，所述程控滤波模块包括四阶巴特沃斯滤波电路和基于max264的程控滤波器；所述ad转换模块型号为ad7693。

每个所述传感器采集模块上设置有3个传感器接口，每个所述传感器采集模块包括3个ad转换模块，形成3路独立的采集通道，所述数据采集系统包括10个传感器采集模块。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的分布式微型数据采集系统采用分布式、微型化设计思想，通过构建菊花链式数据传输方式，有效简化了各个数据采集堆叠之间的物理连接方式，具有通道多，可扩展性强，使用灵活，可靠性高等特点，单个采集堆叠最多就可扩展至30个采集通道，单通道采样率最高达500ksa/s，整个分布式微型数据采集系统最多可扩展至360个采集通道；此外，每个数据采集堆叠由一个控制模块外加多个数据采集模块组成，具有独立的数据采集和管理能力，通过设计合理的堆叠式结构，在保证功能的同时还能提高单个采集堆叠的抗冲击能力（可以提高到1000g）；

2、本发明适用于在各种恶劣环境下对振动、冲击、压力、应变和温度等数据的采集，通过构建分布式的数据采集堆叠极大地扩展数据采集系统的通道数量，可应用于恶劣环境中对装备系统的检验及性能评估；

3、本发明的分布式微型数据采集系统设置有千兆以太网接口和usb3.0接口，可以分别与本地上位机和远程上位机连接，从而进行数据的波形显示以及分析处理等；

4、本发明的分布式微型数据采集系统能为航空、航天及地面设备系统提供可靠快速的测试手段，可以有效节省人力和物力，为优化和完善装备功能奠定良好的控制。

附图说明

图1为本发明实施例提出的一种分布式微型数据采集系统结构框图；

图2为本发明实施例中单个数据采集堆叠的内部结构示意图；

图3为本发明实施例中数据采集堆叠的外形结构示意图；

图4为本发明实施例中单菊花链连接方式结构框图；

图5为本发明实施例中分布式采集阵列管理模块的结构框图；

图6为本发明实施例中单个数据采集堆叠的控制模块的结构示意图；

图7为本发明实施例中单个数据采集堆叠的传感器采集模块的结构示意图；

图8为本发明实施例中整机软件框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~图5所示，本发明实施例中提出的一种分布式微型数据采集系统，如图1所示，该分布式微型数据采集系统包括上位机1、分布式采集阵列管理模块2和12个数据采集堆叠3，所述分布式阵列管理模块2与所述上位机1连接，所述分布式阵列管理模块2上设置有4链路接口，多个采集链路分别通过所述链路接口与所述分布式采集阵列管理模块连接，每个所述采集链路由3个所述数据采集堆叠通过级联总线连接而成，同一采集链路中，各个数据采集堆叠的级联模式被配置为菊花链连接方式。

如图2和图3所示，每个所述数据采集堆叠3均包括控制模块31和多个传感器采集模块32，所述数据采集堆叠的控制模块31上设置有2个级联端口33，所述2个级联端口33用于将所述控制模块31与上下级数据采集堆叠3或分布式采集阵列管理模块2连接；多个传感器采集模块32依次堆叠连接后与控制模块31连接，每个传感器采集模块32上设置有3个传感器接入端口34，每个传感器采集模块内部包括3路独立的数据采集通道，所述传感器采集模块32通过m-lvds通信总线与所述控制模块连接；所述控制模块用于对所述多个传感器采集模块的各个数据采集通道实现管理、发送控制指令、接收采集数据、存储数据及给所述传感器采集模块供电；传感器采集模块的数量可以根据需要设置，每个传感器采集模块上均设置有传感器接口，用于与传感器连接。

如图3所示，本发明中的数据采集堆叠中，，所述控制模块和多个传感器采集模块分别通过灌封材料封装后，分别单独设置在缓冲壳体内；多个所述传感器采集模块依次堆叠连接后与所述控制模块堆叠连接，设置所述多个传感器采集模块的缓冲壳体之间的接触表面上均设置有m-lvds通信接口和电源接口，则在控制模块和传感器采集模块在堆叠的同时，也能实现电路连接和配置。

则本发明的分布式微型数据采集系统可以扩展至360个数据采集通道。此外，本发明的分布式微型数据采集系统中，分布式采集阵列管理模块上的链路接口和数据采集堆叠的数量也可以为更少或者更多，每个数据采集堆叠中的传感器采集模块的数量也可以更少或是更多，具体数量可以根据要采集的数据通道进行设置。

当上位机发送指令时，由通信接口管理模块接收并解析上位机指令，控制命令发生器将采集指令写入相关寄存器组，并通过数据链路选择器将采集指令发送到具体的链路接口，实现对采集堆叠的控制；使用分布式采集阵列管理模块逐一读取采集堆叠中的数据时，采用ddr2sdram对数据进行缓存，并通过通信接口管理模块上传到计算机。本实施例中，通过分布式采集阵列管理模块将多个采集堆叠采用菊花链的方式级联在一起，形成分布式数据采集系统，该模块可以构建4条菊花链式数据采集链路，每条采集链路可挂载3个采集堆叠，能有效扩展采集系统的通道数量。

如图4所示，为单个采集链路中的数据采集堆叠的菊花连接方式结构框图。本发明设计采用菊花链连接方式对数据采集阵列中各个堆叠进行统一管理和集中控制。为此在微型数据采集系统中设计了级联端口，将采集系统的级联模式配置为菊花链连接方式，端口内部包括数据总线、控制总线、状态总线和供电信号等。在单菊花链式连接方式中，链路上的多级设备组成一个闭环网络，包括一个主设备和多级从设备，相邻的从设备间具有数据或指令交互功能，在传输系统命令时，采集系统1作为菊花链的近端通过级联端口i接收上位机的控制指令、外部触发信号以及供电输入信号，通过级联端口ii依次输出给菊花链远端的采集堆叠；在读取数据时，采集系统3作为菊花链的远端将数据通过级联总线逐级上传到近端的采集堆叠，由此实现对单条菊花链的集中控制。

如图5所示，所述分布式采集阵列管理模块2包括通信接口模块、触发管理器、控制命令发生器、数据链路选择器、与4个链路接口一一对应连接的4个数据接收器、数据缓存控制器（ddr2控制器）、数据缓存模块（ddr2sdram）；所述分布式采集阵列管理模块上还设置有以太网接口电路、usb接口电路、和触发接口电路；所述通信接口模块通过以太网接口电路或usb接口电路与上位机连接，所述通信接口模块与控制命令发生器、数据缓存控制器连接；所述数据链路选择器与控制命令发生器、数据缓存控制器、以及多个数据接收器连接；所述数据缓存控制器与所述数据缓存模块连接；所述控制命令发生器通过触发管理器与触发接口电路连接；所述通信接口模块用于接收并解析上位机命令，并发送至控制命令发生器，控制命令发生器将上位机命令中的采集指令写入寄存器，并通过数据链路选择器将采集指令发送到对应的链路接口，实现对对应采集链路中的采集堆叠的控制；从链路接口传输的采集堆叠中的数据，通过数据接收器、数据链路选择器后，由所述数据缓存控制器写入数据缓存模块中进行缓存，并通过所述通信接口模块上传至上位机。

进一步地，如图6所示，所述数据采集堆叠中的控制模块包括m-lvds总线接口电路，触发接口电路、级联接口电路、电压转换电路、数据缓存单元、flash存储单元以及fpga基础模块，所述电压转换电路用于给所述控制模块以及传感器采集模块供电，所述fpga基础模块通过m-lvds总线接口电路与所述传感器采集模块连接，通过触发接口电路与外部触发器连接，通过级联接口电路与上下级数据采集堆叠或分布式采集阵列管理模块连接，所述fpga基础模块用于接收外部触发器发送的触发信号和上位机发送的数据接收命令，以及根据所述出发信号和数据接收命令接收所述传感器采集模块采集的数据并进行数据编帧后发送到所述数据缓存单元和flash存储单元进行存储。

进一步地，如图6所示，所述fpga基础模块包括m-lvds收发器通信管理单元、外部触发管理单元、级联管理单元、数据缓存控制器，数据存储控制器、控制命令发生器和仲裁单元，所述外部触发管理单元与触发接口电路和控制命令发生器连接，用于将触发信号传输到控制命令发生器，所述级联管理单元与级联接口电路和控制命令发生器连接，用于将上位机传输的数据接收命令进行解析后发送到控制命令发生器，控制命令发生器与m-lvds收发器通信管理单元连接，用于根据触发信号和数据接收命令生成数据采集命令后通过m-lvds收发器通信管理单元发送到传感器采集模块；m-lvds收发器通信管理单元与数据缓存控制器和数据存储控制器连接，用于将传感器采集模块采集的数据进行数据编帧后发送到数据缓存单元、flash存储单元存储，所述仲裁单元与所述数据缓存控制器和usb通信管理单元连接，用于将数据缓存单元和flash存储单元存储的数据通过usb通信管理单元发送至上位机。

进一步地，如图7所示，所述数据采集堆叠中的传感器采集模块包括接口模块、程控放大模块、程控滤波模块、ad转换模块、数据缓存模块、m-lvds接口芯片、fpga核心控制器和电压转换模块，所述接口模块与传感器连接，用于给所述传感器供电以及接收传感器采集信号，传感器采集的信号经所述接口模块、程控放大模块、程控滤波模块后、ad转换模块后传输到所述fpga核心控制器，所述fpga核心控制器通过fifo将数据缓存到所述数据缓存模块，并在收到数据请求指令后，从fifo模块中读取数据并通过m-lvds接口芯片传输给控制模块；所述fpga核心控制器用于判断各个采集通道的状态，并通过m-lvds总线发送给控制模块，所述fpga核心控制器还用于接收所述控制模块传输的配置参数和采集指令，以及对所述程控放大模块、程控滤波模块后、ad转换模块的数据处理过程进行控制。

进一步地，所述传感器采集模块分别为iepe传感器采集模块或桥式传感器采集模块；当所述传感器采集模块为iepe传感器采集模块时，所述接口模块为iepe接口模块，所述iepe接口模块与iepe传感器连接，用于给iepe传感器提供恒流，以及接收iepe传感器的采集信号；当所述传感器采集模块为桥式传感器采集模块时，所述接口模块为桥式传感器接口模块，所述桥式传感器接口模块与桥式传感器连接，用于给桥式传感器提供电压激励，以及接收桥式传感器的采集信号。

进一步地，所述程控放大模块包括仪表放大器ad8226和可变增益放大器ad603，所述程控滤波模块包括四阶巴特沃斯滤波电路和基于max264的程控滤波器；所述ad转换模块型号为ad7693，数据位宽为16位。为了提高采集系统对微弱信号的采集能力，使采集信号的幅值与a/d转换芯片的输入量程相一致，采用两级放大的方式对采集信号做放大处理。采用仪表放大器ad8226和可变增益放大器ad603设计程控增益放大电路，通过两级放大对信号进行调理。程控滤波模块主要根据滤波参数对采集信号进行程控滤波。程控滤波模块主要由四阶巴特沃斯滤波电路与基于max264的程控滤波器组成，可实现0db~+62.14db之间的增益调整，内置巴特沃斯滤波器截止频率为40khz；能根据被采集信号的带宽对程控滤波器的q值以及截止频率进行调节，通过设置不同的工作方式可以实现不同的滤波功能。本发明中程控滤波电路的核心电路可以是程控开关电容滤波器max264，通过fpga来实现程控功能。

进一步地，如图8所示，本实施例的分布式微型数据采集系统，其上位机软件设计采用win7系统作为开发平台，软件设计采用模块化设计思想，由主控程序、驱动程序、参数配置程序和模块功能程序组成。该系统是一个以硬件为控制，软件、硬件紧密结合的整体，具体包括输入参数配置模块、存储参数配置模块、程控参数配置模块、标定参数配置模块、数据采集控制模块、数据存储控制模块、数据分析处理模块、波形显示模块、数据管理模块、以太网接口驱动、usb接口驱动等部分。应用程序主界面设计为几个功能独立的区域，依次为功参数设置区、状态显示区、数据分析区、功能菜单区。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。