一种基于统一接口的通用型惯组数据处理系统的制作方法

本发明属于惯组测试设备领域，更具体地，涉及一种基于统一接口的通用型惯组数据处理系统，适用于直接脉冲输出、通用同步输出、异步串口输出、CAN总线输出、1553B总线输出等大部分惯组的数据采集及处理。

背景技术：

惯测组合(以下简称“惯组”)是导弹控制系统的核心部件，惯组上弹后用螺钉紧固在导弹的仪器舱中，直接敏感弹体的飞行姿态和运行速度，因此惯组的精度和稳定度直接影响到导弹的飞行精度。

惯组测试仪是惯组测试系统的重要组成部分。测试仪的作用是接收惯组数据，对惯组数据进行解算并计算惯组精度参数，所以地面测试参数的准确性和稳定性是影响惯组最终制导精度的关键。

由于型号繁多，公司生产的惯组数据输出形式呈现出多样化发展趋势，而现有的惯组测试设备还依赖一种基于ISA总线的测试设备，该测试设备通过将测试板卡插于工控机ISA总线卡槽中，来完成十二路脉冲信号的测试和数据计算。但该设备有以下缺陷：

(1)该测试设备于90年代研制，只能完成脉冲信号输出的惯组数据采集，而对于其他形式输出的惯组数据需要转接板卡将数据转换成脉冲信号进行采集；

(2)无法实现惯组加表及陀螺的温度数据采集；

(3)无法实现对惯组供电系统的监测；

(4)采集软件只能运行于WIN98操作系统下，无法升级；

(5)体积大，非便携式机箱。

原测试设备的以上缺陷，导致公司惯组测试需不断新制转接板卡，成本高，且利用率差，转换后精度下降，影响测试精度。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于统一接口的惯组数据处理系统，通过将数据处理单元、测控单元、供电电源及供电监控单元一起集成在一体化机箱中，由此解决脉冲测试设备通用性差、功能不全、携带不便的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于统一接口的通用型惯组数据处理系统，其特征在于，该数据处理系统包括脉冲采集电路、通讯接口电路、主控芯片组、数据处理单元，

其中所述脉冲采集电路，经过信号处理电路对脉冲信号进行预处理传输于所述CPLD电路进行惯组多路加速度计和多路陀螺仪的正负通道脉冲计数；

所述通讯接口电路实现与所述主控芯片组之间以总线形式输入输出惯组数据；

所述铂电阻温度采集电路通过测量所述惯组多路加速度计和多路陀螺仪以及惯组本体的温度以计算惯组精度时所需的补偿参数。

所述主控芯片组为主、从处理器，集成多种测试接口，实现所述多个类型惯组数据的接口、多种通讯协议的统一；

所述数据处理单元接收所述主控芯片组传输的数据实现并进行处理；

其中，所述主、从处理器之间采用SPI通信传递惯组数据，采用异步串口UART传递控制命令及状态信息，双核之间的任务同步采用外部中断进行控制，以实现多类型数据采集处理之间的协调。

进一步地，所述主处理器与所述数据处理单元通信，完成接口统一控制、协议统一控制、电源控制、电源监控以及多接口数据采集之间的任务 调度；所述从处理器完成多类型惯组数据采集接口的扩展和多接口的惯组数据采集。

进一步地，所述多类型惯组数据采集的协调为：主控芯片组的从处理器完成所述多类型惯组数据采集，主处理器将惯组数据根据预定的格式填充到传输协议格式各个字段上，实现通讯协议的格式化转换，后传输至所述数据处理单元，所述数据处理单元将所采集到的惯组数据按消息格式进行解析、计算、处理惯组数据。

进一步地，所述主、从处理器分别为STM32系列芯片。

进一步地，其中所述STM32芯片上实现以太网接口采用STM32的FMSC总线扩展外部以太网总线控制器。

进一步地，每路所述铂电阻温度测量电路包括串联的恒压源三线法桥电路、信号调理电路及AD转换电路。

进一步地，所述铂电阻温度采集电路采用恒压源三线法测量方法。

进一步地，所述信号处理电路包括串联的分压电路、施密特触发器及电平转换器。

进一步地，所述数据处理系统还包括电源监测电路，采用串联的固态继电器和隔离放大器，实现多路不共地惯组二次电源的电压采集监控。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)首次集成多种惯组测试接口，将多接口惯组数据统一为以太网输出，兼容多种通讯协议，一套本数据采集系统可满足公司绝大部分惯组测试需求；

(2)采用可编程逻辑器件完成脉冲数据采集功能，相比原脉冲采集系统采样范围、采样精度提升了10倍以上，兼具采样时间可配、正负通道数据采集保存的功能；

(3)采用双核控制测试系统，双核之间分工、协作，具有任务明确、 执行效率高的特点，集成USB2.0和10M/100M自适应以太网，具备大数据批量传输能力，同时具备使用以太网在线升级STM32程序的功能；

(4)集成9路铂电阻温度采集电路，采用恒压源三线法测量电路对惯组内部铂电阻进行温度采集，采集精度优于0.1℃，远高于技术指标要求；

(5)集成惯组供电电源、消耗电流监控电路，首次实现了电压、电流同时监控，实现了惯组产品的安全供电；

(6)首次在测试设备上使用数据库存储技术，相比普通文件存储，数据库读写速度更快，安全性更高，存储容量更大，利用数据库首次实现了测试数据按最小采样周期(10ms或每帧)顺序存储，数据异常时，可定位异常数据发生的时刻，实现了异常数据的可追踪性，而员脉冲采集设备只能在后台记录单秒数据；

(7)采用便携式集成一体化设计，集成自动配断电及电源监控系统、1553B总线耦合器及数据处理与数据采集，大大减小设备成本与体积。

附图说明

图1是按照本发明实现的通用型惯组数据采集系统整体结构框架示意图；

图2是按照本发明实现的数据采集系统中的信号调理电路的模块组组成结构示意图；

图3是按照本发明实现的铂电阻温度测量电路的系统组成连接示意图；

图4是按照本发明实现的铂电阻温度测量电路的具体组成结构示意图；

图5是按照本发明实现的双核电路的控制关系示意图；

图6是是按照本发明实现的通用型惯组数据采集系统中的STM32双核控制电路工作流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明采取的方案为：一种基于统一接口的惯组通用数据采集系统。核心电路采用双核STM32控制电路，外设接口电路包括脉冲采集电路、同步串行通信接口电路、1553B总线通信接口电路、铂电阻温度测量电路、RS422总线通信接口电路、CAN总线通信接口电路、CPLD电路、高速USB串行总线通信接口电路、Ethernet以太网通讯控制电路、惯组供电及监测电路、电压检测电路、数据处理单元。

双核STM32控制电路实现多种数据接口、多种通讯协议向单接口、单协议的统一。两片STM32分为主(Master)、从(Slave)处理器，分别实现不同的功能，主处理器主要完成接口统一、协议统一、系统电源控制、电源监控以及多接口数据采集之间的任务调度；从处理器主要完成惯组数据采集接口的扩展，使之能够适应多接口的数据采集任务。主、从处理器之间采用SPI通信传递惯组数据，采用UART传递控制命令及状态信息，双核之间的任务同步采用4路外部中断Ext[3∶0]进行控制，实现各数据采集任务之间的协调、统一。

脉冲采集电路由脉冲整形电路和CPLD可编程逻辑器内部计算器组成，惯组脉冲输入脉冲整形电路后进入CPLD，CPLD对输入的脉冲进行计数，CPLD与STM32采用FSMC总线进行连接并通过FSMC总线读取CPLD的脉冲计数值。

同步通讯控制电路通过STM32的FSMC总线进行扩展，同步通讯控制器为PEF20525，通过PEF20525实现两路全双工同步串行通信，通信波特率可编程，最大速率为20Mbps。

1553B总线通信接口电路通过STM32的FSMC总线进行扩展，通讯控制器为8357所的HT-61843GB-1，该通讯接口首次在惯组测试设备上集成，其 通讯波特率为4Mbps。

铂电阻温度测量电路采用恒压源三线制测量法，使用该方法可有效避免因导线热噪声带来测量误差，为降低产品铂电阻自发热影响温度测量精度，测量电流不超过0.4mA，其中电桥采用高精度、低温漂电阻搭建，进一步减小测量误差，实际测量精度优于0.1℃；

RS422总线通信接口电路以及CAN总线通信接口电路采用STM32自带的通讯控制器连接收发驱动器构成，实现与RS422总线输出或CAN总线输出的惯组数据采集。

高速USB串行总线通信接口电路采用STM32的USB_OTG HS接口连接外部PHY USB3300，USB接口是以太网的数据传输的备份接口，用于大数据的批量传输，经过实际验证，USB_OTG高速接口最高数据传输速率达到了430Mbps,远高于STM32以太网接口最高100Mbps的限制，可用于大数据非实时批量传输。

Ethernet以太网通讯控制电路使用STM32的FSMC总线连接以太网控制器进行扩展,以太网通讯控制器为DM9000A，主要用于实时传输惯组数据，软件上通过移植LwIP协议栈，实现了以太网数据传输的功能。

惯组电源监测电路通过开关电路和继电器电路，实现手动/自动配电控制切换，且最大电流为20A，采用ACS754LCB电流传感器，可实时监测惯组消耗电流变化，当电流超过预设值时进行报警，实现了对惯组的安全供电。

其中监测电路中的电压检测电路采用固态继电器JGC-3032和隔离放大器ISO124U，实现5路不共地惯组二次电源的电压采集，实时监控惯组内部电源情况，采用运算放大器OPA2277，组成加法电路，将负电压升到正电压，实现对±35V电压宽电压范围的AD采集。

数据处理单元13采用研华的AIM-203(Min_ATX)主板搭建，该主板体积小，功耗低，且工业接口丰富，通过在数据处理单元编写软件，可灵活实现惯组脉冲输出采集，并进行相应计算处理、数据存储等。

本数据采集系统软件分为数据处理单元数据处理软件、双核ARM控制软件、CPLD可编程逻辑软件；所有软件按模块进行设计，可维护性良好，扩展能力和升级能力强，惯组数据首次采用数据库存储、管理，相比使用文件存储方式，具有读写速度快、存储容量大、安全性高等特点。

图1为本发明一个实施例的一种脉冲采集系统的系统框图，如图1所示，包括脉冲采集电路1、同步串行通信接口电路2、1553B总线通信接口电路3、铂电阻温度测量电路4、RS422总线通信接口电路5、CAN总线通信接口电路6、CPLD电路7、主控芯片组8、高速USB串行总线通信接口电路9、Ethernet以太网通讯控制电路10、电源监测电路11、数据处理单元12、电源板13。

如图2所示，惯组脉冲采集由两部分构成，一部分是物理电路，即脉冲采集信号处理电路，另一部分是CPLD内部脉冲计数逻辑电路。

脉冲采集信号处理电路将惯组输入的脉冲信号经分压电路将脉冲信号由12V降低至5V左右，并通过斯密特触发器对脉冲信号进行整形、滤波后，再经过电平转换器将5V转换为3.3V后输入到可编程扩及器件CPLD及STM32的定时器外部输入捕获引脚上，既可以使用STM32处理器的定时器采集，也能够采用CPLD进行采集，减小了方案设计风险。在本系统数据采集方案中采用CPLD对惯组输入脉冲信号进行采集，相比使用STM32定时器采集脉冲数而言，

CPLD内部脉冲计数逻辑电使用Verilog可编程逻辑语言进行编程，CPLD内部逻辑电路包含4个模块，分别是分频模块、计数模块、输出选择模块以及输出使能模块。CPLD与STM32的数据交互是通过STM32的FSMC总线完成，分频模块主要根据FSMC写入的采样频率寄存器完成系统时间分频。计数模块根据系统时钟对输入的脉冲信号进行2次同步以解决异步输入接口跨时钟域同步问题，并根据系统时钟的上升沿判断是否有脉冲进来，若有脉冲进来，完成加法工作，数据溢出后自动清零，当输出使能信号有效时，CPLD根据采样频率定时输出脉冲信号触发STM32的外部中断，STM32在外部中断中通过FSMC总线读取CPLD的脉冲计数值，读取数据过程中，CPLD使用FSMC的地址数据进行译码，一旦地址信号有效后，根据不同的地址信号将不同通道的脉冲数据放入FSMC的数据线上，完成整个脉冲计数功能。

采用Verilog实现的脉冲采集电路通过时钟同步方式对输入脉冲信号进行同步，解决了异步输入接口跨时钟域同步的技术难点，锁存器跟根据采样参数配置时钟分频系数以及中断输出频率，实现了采样频率可在线配置以及中断输出频率高精度可控。通过试验验证，该脉冲采集电路的采样精度可达到10-6，采样范围可以达到6.5MHz,相比原脉冲采集设备，采样精度提高了一个数量级，采样范围扩大了10倍。

同步串行通信接口电路2采用同步串行通讯控制器PEF20525进行扩展，通讯控制器PEF20525与STM32采用FSMC总线并行连接，STM32通过FSMC总线配置同步串行通讯控制器PEF20525，实现了通讯频率可在线配置，最高通讯波特率可达20Mbps，由于同步串行通信通过时钟对数据信号进行同步，比异步串行通信具有更高的可靠性，同时采用差分RS422电平传输方式，可实现远距离、高可靠性传输；

1553B总线通信接口电路由8357所的1553B控制器HT-61843GB-1和1553B隔离变压器HT-DB337/4A组成，HT-61843GB-1与STM32之间采用FSMC总线进行连接。HT-61843GB-1总线控制器通讯速率为4Mbps,相比国外进口芯片常见的1Mbps通讯波特率而言，通信速率提高了4倍。该通讯控制器支持双通道、双冗余的总线链路结构，实现了惯组数据的高可靠性传输。

如图3所示，铂电阻温度采集电路采用恒压源三线法测量方法，由于光纤惯组上有9路铂电阻需要测量，在本系统中集成了10路相互独立的铂电阻采集电路，其中一路用于监控数据采集系统温度。铂电阻温度测量电路由3部分构成，分别是恒压源三线法电桥电路、信号调理电路、ADS1258 高精度AD转换电路。其中ADS1258连接至STM32(Slave)的SPI接口上，通过SPI接口控制ADS1258采样时序。如图4所示的铂电阻温度采集具体硬件结构电路中，电桥中R1、R2、R3、R4构成电桥电路，其中Rw1～Rw3为电桥连接铂电阻的引线电路，当电桥平衡时，Vin1与Vin2相等，当电桥平衡被打破时，V1与V2之间的差值如式1所示

电桥电路中，电阻R1～R3选用高精度、低温漂的电阻，且R1与R2的阻值应在同批产品中选用漂移方向一致的电阻，由于电阻R4随着温度变化，令R4＝R0+△R，导线电阻由于热电势的影响，电阻Rw会有一个微小的变化，由于导线1、2、3等长，可认为Rw1＝Rw2＝Rw3＝r+△r,若采用2米长的AFR-2500.2的导线，则r约为0.2Ω，将R4、Rw1、Rw2、Rw3带入式1可得

将式2分为两部分如式3、式4所示：

第一部分：

第二部分：

对第一部分式3进行整理可得

如式5所示，分子部分无Δr,分母第一项(R₁+R₀+ΔR+r)×(R₂+R₃+r)为108量级，分母第二项(R₀+ΔR+r+R₁+R₂+R₃+r)×Δr在10³量级，分母第三项Δr²在10^-2量级，分母第二项与第一项相差10⁵个数量级，第三项更小，因 此分母第2项、第三项可以忽略不计。

在参考电压为2.5V的情况下，VGND如式6所示，将R1＝R2＝10K，R3＝500Ω，R_w1＝R_w2＝R_w3带入式6可得且两边同时除以V_ref可得

因此，第二项可以忽略不计，根据式2～式7分析可知，V1与V2之间的差值如式8所示。令Rt＝R0+△R，则对式8进一步变形可得铂电阻阻值Rt如式9所示。

由于导线的引线电阻非常小，约为0.2Ω，因此可以忽略导线电阻的影响，则式(9)可改写为

本方案铂电阻设计方案实际测量范围为-40℃～100℃，此时铂电阻对应的阻值分别为范围大概为400Ω～700Ω，此时根据式8可得，取V_ref为2.5V，则当温度为-40℃(电阻为约为400Ω)时Vin1-Vin2取得最小值；当温度为100℃时(电阻为约为700Ω)时Vin1-Vin2取得最大值。

将式(11)中的值分别带入式(9)、(10)可得出值保留到小数点后5 位均为692.24877，因此只要连接铂电阻的导线长度一致，导线电阻引起的误差可以忽略不计。

根据式(11)与式(12)的计算结果，电桥两端的电压差最小值为-22.8929mV,最大值为44.5021mV，为便于信号采集，将电桥两端的电压差放大20倍后进行在送入AD转换芯片进行采集，信号放大电路如图4中所示,信号放大电路分为2级，第一级由U1、U2结成同向比例放大电路，因而输入阻抗很高，由于采用对称连接方式，因而可以抵消运算放大器的温漂现象；第二级U3连接成差分输入方式，将差分信号转换成的单端信号输出。

温度采集电路经过实际验证，获得了优于0.1℃的测量精度，这与理论计算存在了部分差异，这些差异的主要由电桥电路精密电阻的误差和温漂、铂电阻自热影响导致，但0.1℃的测量精度已远远超过本系统所要求的0.7℃测量精度技术要求。

通用异步RS422、RS232串行通信电路(5)以及CAN总线通讯电路(6)使用STM32自带的通讯接口连接相应的收发驱动器进行扩展，实现原理较简单，在此不再赘述。

如图5所示，STM32双核通讯控制电路是本数据采集系统的核心，两片STM32分为主(Master)、从(Slave)处理器，分别实现不同的功能，主处理器主要完成接口统一、协议统一、系统电源控制、电源监控以及多接口数据采集之间的任务调度；从处理器主要完成惯组数据采集接口的扩展和多接口的惯组数据采集，两片STM32通过分工合作的方式能使整个数据采集系统运行效率高、数据采集更加稳定可靠，也可以解决STM32因引脚复用导致部分功能无法使用的情况。本数据采集系统的双核控制系统采用SPI传输数据、UART异步串口传输控制命令、GPIO负责双核之间的任务同步。主控芯片组之间的惯组数据通过SPI进行传送，其中STM32从处理器的SPI接口做主发送端，主处理器的SPI接口做从接收端，SPI的通讯波特率为42Mbps,采用DMA传输方式进行传输。

实际使用过程中，主控芯片组的主(Master)、从(Slave)处理器的工作流程如图6所示。系统上电后，主芯片初始化外部接口后启动两个任务，一个任务是系统电源监控任务，另一个是测试指令监控任务，其中系统电源监控任务是一项周期性执行任务，测试指令监控任务是一个抢占式任务，在测试指令监控任务中，一旦收到上位机软件发出的测试指令就将测试指令转发至从处理器，其中测试指令包含数据采集类型、对应的物理接口以及采样参数等信息；从处理器根据测试指令初始化对应数据采集任务的测试接口后返回一个状态信息，上位机根据状态信息选择是否继续测试，若状态信息正确，则上位机发送启动测试指令，测试指令监控任务中监控到启动测试指令后通过外部中断启动从处理器启动测试任务；从处理器将采集到的惯组数据通过SPI发送给主处理器，主处理器将收到的数据进行格式化转换后通过以太网发送到数据处理单元；一旦测试指令监控单元检测到停止测试指令，立即通过外部中断触发从处理器停止数据采集。

主处理器还有一项重点任务是完成多种通讯协议的格式化转换，即将惯组数据按统一格式通过以太网传输至数据处理单元，以太网数据传输协议如表1所示。

表1

接收到惯组数据后将惯组数据根据预定的格式填充到传输协议格式各个字段上，本文以CAN总线协议转换为同一的协议格式为例说明协议转换的过程，CAN消息格式与数据传输格式定义结构体如表2所示。

表2

在测控板Master接收到CAN总线的消息后，将CAN总线消息结构中的所有数据分配到传输协议中的Data字段，传输协议中的FrameType表示消息类型(如CAN、RS422、1553B等)，其中CAN消息类型以0x90表示,协议转换单元中，首先声明一个指向Tanslate_Msg的指针*m_Tanslate_Msg,并为其动态分配内存，协议转换过程如下，其中传输协议帧头、校验和计算及帧尾省略未写。

更为具体的，由于STM32的自带的USB接口只支持低速和全速模式，但STM32内部集成了高速USB接口的控制器，必须使用外部PHY才能使用STM32的USB高速模式，在本数据采集系统中，采用USB3300作为外部PHY扩展STM32的高速USB接口，USB接口作为以太网的备用接口用于惯组数据传输，经实际传输测试，其传输速度可达到430Mbps,比以太网具有更高的传输速率,适合大数据的批量传输。

更为具体的，在STM32上实现以太网接口一般可采用两种方案实现，方案一是用STM32自带的RMII接口或MII接口连接外部PHY实现以太网接口，方案二是用FMSC总线扩展外部以太网总线控制器。在本数据采集系统中以太网接口电路采用FMSC总线扩展以太网总线控制器DM9000A，DM9000A集成了以太网控制器和PHY，使用比较方便，简单；软件上通过移植LwIP协议栈实现测控板与数据处理单元之间的数据传输。

更为具体的，惯组供电及监测电路由手动开关电路和继电器电路组成，其中开关S1为单刀双掷开关，用于切换手动控制还是软件控制，开关S2至S5、继电器K1-K4分别控制4路+BB电压的导通和关断。从开关和继电器出来的+BB电压通过串入一只ACS754LCB电流传感器，ACS754LCB的输出连接至双核处理器电路(9)中AD采集接口，对4路+BB的电流进行监测。

更为具体的，电压检测电路，五路输入电压在分压后，将正端和负端同时通过固态继电器依次切换到加法电路的输入端，而加法电路的输出作为ISO124隔离放大器的输入，通过隔离放大器，实现将被测电压的地转换为AD采集地，ISO124的输出端连接至双核处理器电路(9)中AD采集接口，实现5路不共地电压采集。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。