侵徹過(guò)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)范文

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摘要：

針對(duì)傳統(tǒng)侵徹過(guò)程數(shù)據(jù)處理繁瑣、采集效率低的不足，設(shè)計(jì)了一套基于FPGA的3軸高g值傳感器數(shù)據(jù)解算自動(dòng)采集系統(tǒng)。采用以XC3S400為主控單元，MATLAB-GUI作為上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)完成數(shù)據(jù)采集、解算。傳感器產(chǎn)生電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)主放大器INA827芯片，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器AD7934采樣，將采樣后信號(hào)存儲(chǔ)到Flash中，經(jīng)由FT2232C芯片通過(guò)USB傳回計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)不僅可以滿足侵徹過(guò)程中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)的要求，同時(shí)完成了侵徹過(guò)程數(shù)據(jù)處理解算。將數(shù)據(jù)采集與解算集成，提高了侵徹過(guò)程解算效率。

關(guān)鍵詞：

FPGA；侵徹；INA827；MATLAB

侵徹、貫穿過(guò)程問(wèn)題的研究與軍事、科技、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)，其中彈體侵徹過(guò)程是十分復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)彈體功能的最優(yōu)化，達(dá)到對(duì)目標(biāo)的最大摧毀效果，就要求獲取彈體侵徹過(guò)程中的加速度信號(hào)，并對(duì)采集的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算［1-3］。目前，侵徹過(guò)程的解算主要以彈載存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)，采用VB、VisualStudio+QT等作為上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，最后使用Origin、Matlab等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。雖然解決了侵徹過(guò)程的數(shù)據(jù)解算，但是面對(duì)大量數(shù)據(jù)不但效率低，而且數(shù)據(jù)處理也甚為繁瑣。FPGA具有時(shí)鐘頻率高、控制周期短、執(zhí)行速度快、靈活性強(qiáng)、通用能力好等優(yōu)點(diǎn)［4，5］，結(jié)合USB芯片F(xiàn)T2232C具有熱插拔、速度快和外設(shè)容量大以及便攜等特性，以AD7934作為A/D采集模塊組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用MATLAB-GUI處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，開(kāi)發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)作為上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)不僅可以完成上位機(jī)的功能，也集成數(shù)據(jù)解算功能［6］。與傳統(tǒng)侵徹過(guò)程解算相比，具有操作簡(jiǎn)單、效率高的優(yōu)勢(shì)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

侵徹過(guò)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成如圖1所示。電源模塊將7.4V鋰電池和4.5V氧化銀電池轉(zhuǎn)化成2.5V、3.3V電壓后，為系統(tǒng)各模塊、芯片供電。根據(jù)系統(tǒng)的需求，選擇Xilinx公司生產(chǎn)的FPGA芯片XC3S400作為主控單元完成對(duì)采集存儲(chǔ)模塊的采集、控制和傳輸?shù)臅r(shí)序控制。并以XCF01S為配置芯片，由25MHz的外部晶振提供時(shí)鐘信號(hào)，主要有前信號(hào)調(diào)理預(yù)處理、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠纸M成。彈體侵徹的模擬信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理預(yù)處理經(jīng)過(guò)A/D采集模塊，F(xiàn)PGA控制A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集，并按照一定格式存入存儲(chǔ)器中。上位機(jī)通過(guò)USB通信接口芯片F(xiàn)T2232C上傳至計(jì)算機(jī)中，完成數(shù)據(jù)解算。

2系統(tǒng)硬件組成

2.1數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)使用ADI公司的AD7934芯片逐次逼近型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置一個(gè)低噪聲、寬帶寬、差分采樣保持放大器，可處理最高達(dá)50MHz的輸入頻率［7-8］，一次完成12bit模數(shù)轉(zhuǎn)換，具有高速、低功耗、最高吞吐量1.5Msample/s的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中使用電源模塊提供的3.3V供電，REF引腳外接一個(gè)精確的3.3V電壓源用作模數(shù)轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓將轉(zhuǎn)換量程設(shè)置為0~3.3V。使用外部提供25MHz時(shí)鐘信號(hào)，采樣率達(dá)300kHz。AD7934的工作時(shí)序如圖2所示。

2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸接口采用的是FTDI公司的一款USB到UART/FIFO的轉(zhuǎn)換電路FT2232C。FT2232C具有兩個(gè)多用途的UART/FIFO控制器，可分別配置成不同的工作模式。一個(gè)USB下游端口轉(zhuǎn)換成兩個(gè)I/O通道，每個(gè)I/O通道相當(dāng)一個(gè)FT232BM或FT245BM，可以單獨(dú)配置成UART接口或者FIFO接口。通過(guò)對(duì)外掛EEPROM的配置，F(xiàn)T2232C還提供一系列新的操作模式，如多協(xié)議同步串行機(jī)接口［9］。FT2232C只需添加簡(jiǎn)單配置電路，便可實(shí)現(xiàn)由單電路到雙通道串/并口的轉(zhuǎn)換，集成了全部USB處理協(xié)議，使用時(shí)不需要另外編寫USB固件程序2個(gè)I/O通道（A/B）相互獨(dú)立，可配置成2個(gè)5V、2個(gè)3.3V或一個(gè)5V、一個(gè)3.3V的邏輯I/O接口，F(xiàn)T2232C發(fā)送數(shù)據(jù)的速率為300~1Mbit/s或3Mbs。FT2232C通過(guò)8bit并行接口與FPGA微控制器外設(shè)接口連接，實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)的交換，上位機(jī)通過(guò)USB接口與FT2232C傳輸數(shù)據(jù)。PC通信時(shí)只需安裝FTDI公司提供的官方驅(qū)動(dòng)程序，簡(jiǎn)單的MATLAB-GUI、VB、VC編程進(jìn)行上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)。FT2232C的外圍電路如圖3所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用MATLAB-GUI的開(kāi)飯平臺(tái)，運(yùn)用M語(yǔ)言編寫程序，通過(guò)FT2232C芯片與存儲(chǔ)器進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)采集。如圖4所示為上位機(jī)的人機(jī)交換界面，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、完成數(shù)據(jù)解算的功能。配置好上位機(jī)的USB通信端口，選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑后，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)裝載，系統(tǒng)將按照指定的參數(shù)采集數(shù)據(jù)，同時(shí)校驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整度以及，最終畫(huà)出侵徹過(guò)程中的數(shù)據(jù)圖，并畫(huà)出FFT后的圖形。完成數(shù)據(jù)裝載后，根據(jù)得到的FFT圖像，選擇適當(dāng)?shù)臑V波截止頻率對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波分析，并解算侵徹過(guò)程中的速度、位移信息，畫(huà)出速度、位移與時(shí)間的歷程圖。上位機(jī)的流程圖如圖5所示。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以某次炮擊實(shí)驗(yàn)中使用該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，解算彈體侵徹過(guò)程。通過(guò)上位機(jī)軟件分析采集的數(shù)據(jù)，解算得到侵徹過(guò)程結(jié)果如圖6所示。系統(tǒng)解算得到彈體侵徹過(guò)程結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中激光測(cè)量基本一致。

5結(jié)束語(yǔ)

基于FPGA設(shè)計(jì)的侵徹過(guò)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用MATLAB-GUI將數(shù)據(jù)采集和侵徹過(guò)程解算集成到上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z，3軸信號(hào)同時(shí)采集，不僅滿足了侵徹信號(hào)采集對(duì)系統(tǒng)高采樣率、高精度的要求，同時(shí)利用簡(jiǎn)潔的人機(jī)交換界面完成對(duì)侵徹過(guò)程的數(shù)據(jù)處理，方便用戶操作，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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作者：郝天琪 崔建利 李策 張斌珍 單位：中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室