基于fpga临空数据采集系统的设计研究，基于fpga临空数据采集系统的设计方案
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|已经有各种成熟的数据采集系统，主要应用于工业生产、环境监测、航空航天、科学研究等领域。大多数实时数据采集系统采用DSP（数字信号处理）控制器和微控制器作为控制核心，相对容易实现复杂的算法[1]，但受到信息吞吐量和带宽的限制，无法实现并行处理。对于高速、大容量的数据采集来说有点弱。现场可编程门阵列（FPGA）器件因其强大的并行处理能力而非常受欢迎，使用FPGA作为控制核心的数据采集系统也开始流行。 FPGA因其灵活性高、可扩展性强、资源丰富等特点而被广泛应用于数据采集系统中[2-3]，并且可以支持多种形式的接口协议。有些FPGA是反熔丝的，具有非常高的可靠性和稳定性，使得这种类型的FPGA成为某些航空航天应用中的必备品。
靠近地球的太空是一个极其恶劣的环境，低温、低压、高辐射，很容易影响数据采集系统的传感器和控制部分，从而导致运行异常甚至系统故障。在这种环境下设计数据采集系统时必须考虑稳定性。 FPGA可以实现复杂的电路并减少电路板上布线引起的电磁干扰。与DSP控制器和其他CPU微控制器相比，FPGA生成的硬件电路的特点是更耐干扰。以前的可靠性处理方法包括冗余结构设计、读回验证和配置存储器重新配置[4]。同时，数据采集系统的可靠性也有合理的评价指标，如运行环境、系统集成度、人机耦合性、方案成熟度、安全性等[5]。
需要设计一种运行在空中特定环境下的数据采集系统，不仅能实现数据采集任务，还能将数据实时传输到地面并完成一些控制功能。出于运营成本和环境考虑，需要提高系统的可靠性和稳定性。本设计从硬件和软件两方面进行了设计，硬件方面采用FPGA作为本系统的主控制器，因为它具有较强的抗干扰性能。我们采用冗余策略，设计了两个与主控制器连接的传感器电路，以提高数据采集系统的可靠性。软件部分采用模块化编程，采用有限状态机和看门狗策略，提高系统的鲁棒性。
1 系统硬件设计
机场数据采集系统主要由以FPGA为控制器的最小系统模块、传感器模块、UART串行通信模块、控制模块组成。如图1所示，最小系统是维持FPGA控制器正常工作的外围电路，传感器模块包括温度、角度、电流和电压等信号的采集和调节。分为主板信号和从板信号；UART串口通信模块包括2个RS232串口（连接北斗模块）和2个RS422串口（连接飞机机载电脑）；控制模块温控模块主要包括阀门控制和用于控制发热电阻，维持电路板上元件的正常工作。
1.1 最小系统模块
本设计采用Altera 的Cyclone IV E 系列EP4CE22F1717 作为采集系统控制器。它有22,320 个逻辑单元、154 个用户输出、132 个乘法器和4 个PLL（“锁相环”）。芯片外部晶振的频率为50 MHz。
1.2 温度采集模块
数据系统采用PT100温度传感器测量10个通道的温度。 PT100温度传感器将温度变量转换成可以传输的标准化电信号。该传感器精度高、稳定性好，测温范围为-200至650，满足测温范围要求。如图2所示，PT100传感器连接差分电路，测量差分电压，对电压信号进行整形和调整，通过模数转换芯片得到数字值并暂时存储。 FPGA 内部的存储器。滤波电路采用阻容滤波。仪表放大器采用TI仪表放大器INA333，其特点是功耗低、精度高。 AD转换芯片采用TLC2543IN，电源电压为5V，可并行输入11路外部模拟信号，并从串口输出12位分辨率的转换数据。
1.3 气压采集模块
本设计采用SMI的SM5852系列气压传感器来采集气压信号。 SM5852传感器工作温度为-40至125，可应对恶劣的空气环境，芯片内部具有温度补偿算法，确保气压测量准确。本文使用SM5852-003 传感器，其可测量压力范围为0 至0.3 PSI（磅每平方英寸）。气压传感器可以输出数字信号和模拟信号。这里直接采集传感器的数字信号，简化了系统设计，使信号采集准确。数字信号通过IIC协议传输，采用74LVC4245电平转换芯片连接电压控制器和传感器，将5V数字信号转换为3.3V数字信号，同时保护控制模块。
1.4 通讯模块
该模块在本系统中非常重要，是采集器与地面监控系统之间的纽带。它负责将机场采集平台获取的信息实时传输到机载计算机或北斗模块，并同时实时接收两个模块的指令。采集平台上的关键数据信息被组合成不同长度的帧，并通过预先建立的协议传输到地面指挥站。为了保证数据的安全性和准确性，增加了数据帧验证环节，采用差值或和作为帧验证方法。
本系统的FPGA控制板位于数据采集系统平台上，与地面指挥站的通信交互信息主要有两类：一类是传输采集器采集到的数据信息；另一类是传输采集器采集到的数据信息。被发送到数据采集系统。接收来自地面指挥系统的指挥信息。为保证采集系统数据的安全性和可靠性，通信模块均采用冗余设计。它通过两个RS422接口与机载计算机连接，机载计算机通过无线电通信与地面指挥站交换信息。此外，它还通过两个RS232接口连接到机载北斗，并通过北斗卫星服务与地面指挥所通信。同时，采集器的位置信息被传输到地面。 RS422接口芯片采用Analog Devices公司的ADM2587E，RS232接口芯片采用ADI公司的ADM3251E。两个RS422接口分为主板串口和从板串口，主板串口处理主板的数据信息，从板串口处理从板的数据信息。
2 系统软件设计
[2] KANDADAI V, SRIDHARAN M, PARVATHY SM, et al. 基于FPGA的数据采集与通信综合嵌入式解决方案[J], 应用研究技术学报， 2017, 15(1): 45-53 .
[3] 周山， 杨亚文， 王金波. 航空航天高可靠性FPGA测试技术研究[J]. 计算机技术与发展， 2017, 27(3): 1-5.
[4]宋克飞. FPGA在航天遥感器中的应用[J]. 光机信息， 2010, 27(12): 49-55.
[5] 陈克勋， 王晓毅， 薛辉. 基于FPGA的数据采集器设计及可靠性分析[J]. 科技情报， 2017, 15(24): 7-8.
[6]王静梅，杨春玲，基于FPGA和UART的数据采集器设计[J]，电子器件，2009，32(2)：386-389。
[7] 宁勇，郭志，沉胜，等，基于FPGA的数据采集与存储系统设计[J]，Procedia工程，2012，29：2927-2931。
作者信息：
赵舒蕾、刘静萌、张辉、卢志宇
(北京航空航天大学自动化与电气工程学院北京100083)