一种基于星型拓扑架构的高码率数据采集传输系统

摘要

本发明一种基于星型拓扑架构的高码率数据采集传输系统，包括传感器、采编单元、中央处理器；传感器感受被测对象的物理参量，并将其转换成电信号输出至采编单元；采编单元采用一体化设计，完成传感器供电、信号采集和编码，对接收的电信号进行调理，将电信号经输入滤波、放大、采样、A/D转换后送至中央处理器；中央处理器通过控制总线对采编单元进行时序控制，使采编单元按照预定逻辑输出数据，同时将接收的多个采编单元集中处理，按规定格式对数据组帧，将并行信号转换为串行信号输出给调制和发射设备。本发明采用集中控制和同步采集方法，易于维护，实现故障自动隔离，可有效解决多个采编单元同步工作及高码率数据传输的问题。

说明书

技术领域

本发明属于数据通讯领域，涉及一种基于星型拓扑架构的高码率数据采集 传输系统。

背景技术

在飞行器的研制和试飞阶段，测控通信系统用于获取飞行器内部各系统的 工作状态参数和环境数据，为评定飞行器的性能和进行故障分析提供依据。测 控通信系统性能的优劣直接影响飞行器的研制过程及费用，影响飞行器性能的 改进和提高。目前测控通信系统进行数据采集时，常依靠各自采集设备上的高 精度晶振来实现不同设备上数据同步，在测控通信系统长时间工作时，尤其是 高码率传送信息时，由于晶振频率漂移积累的时间误差，在传输过程中带来大 面积码元偏置的问题，造成数据误码率偏高；在现有测控通信系统对遥测参数 进行采集时，未对各参数进行隔离处理，在对遥测参数有特殊隔离要求时不再 适用；在传统的测控通信系统组成中，配置专门的设备给传感器供电，数据采 编单元只对传感器输出数据采集，这种方式使得传输导线连接关系复杂，增加 了电缆网设计难度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于星型拓扑 架构的高码率数据采集传输系统，实现了航天飞行器高码率数据隔离采集、存 储、传输和故障隔离。

本发明的技术方案是：一种基于星型拓扑架构的高码率数据采集传输系统， 包括M个传感器、N个采编单元以及中央处理器；M、N为正整数且M大于N；

每个传感器感应被测对象的物理参量，并将物理参量转换成电信号输出至对 应的采编单元；

每个采编单元对接收的电信号依次进行滤波、放大、A/D转换后送至中央处 理器；

中央处理器根据预定逻辑对每个采编单元进行时序控制，使采编单元按照预 设逻辑输出数据；同时，中央处理器同时接收N个采编单元输出的数据并集中 处理，按预定格式编排在内部数据缓冲区，之后将并行信号转换为串行信号输 出给调制和发射设备。

所述的采编单元包括隔离采集电路和非隔离采集电路；所述的隔离采集电路 包括第一级放大器、第二级放大器、光电耦合器、第三级放大器、多路切换开 关、第四级放大器、A/D集成电路、电阻R1-电阻R7、电容C1-电容C4；需 要隔离采集信号输入端与第一放大器的正向输入端相连，同时待隔离采集信号 输入端还通过电容C₁接地；第一放大器的负向输入端通过电阻R₁与其输出端 相连；第一放大器的输出端串联电阻R₂、电阻R₄后与第二放大器的负向输入 端相连；电阻R₃的一端与电阻R₂和电阻R₄的公共端相连，电阻R₃的另一端 接地；第二放大器的正向输入端接地；第二放大器的负向输入端通过电容C₂与其输出端相连，第二放大器的输出端经电阻R₅与光电耦合器的输入端相连； 光电耦合器输出端的信号端与第三放大器的正向输入端相连，光电耦合器输出 端的信号参考电位与第三放大器的负向输入端相连，第三放大器的负向输入端 经过电阻R₆与电容C₃并联组成的电路后与第三放大器的输出端相连，同时第 三放大器的输出端还与多路切换开关的输入端相连；多路切换开关的输出端与 第四放大器的正向输入端相连；第四放大器的负向输入端通过电阻R₇与其输出 端相连；第四放大器的输出端与A/D集成电路的输入端相连，第四放大器的输 出端还通过电容C4接地；A/D集成电路的输出端在采编单元内部经过GM8164 芯片进行并串转换之后输出。

所述的非隔离采集电路包括多路切换开关、放大器、A/D集成电路、电阻 R31、电容C31；不需要隔离采集的信号输入端与多路切换开关输入端相连， 多路切换开关的输出端与放大器的正向输入端相连；放大器的负向输入端通过 电阻R₃₁与其输出端相连；放大器的输出端与A/D集成电路的输入端相连，放 大器的输出端还通过电容C31接地；A/D集成电路的输出端在采编单元内部经 过GM8164芯片进行并串转换之后输出。

多路切换开关采用的型号为ADG406，A/D集成电路采用的型号为 AD7821。

所述的中央处理器产生数据同步信号和时钟信号，并将这两个信号同时向 N个采编单元输出；各采编单元接收中央处理器输出的数据同步信号和时钟信 号，采编单元实时监测数据同步信号，当监测到数据同步信号发生变化时，此 后所有的数据传输以此发生变化的时间为基准，以时钟信号频率将数据输出至 中央处理器；中央处理器接收N个采编单元传送过来的已转换为数字量的采集 信号数据，按高频信号等间隔采样原理编排在内部数据缓冲区，待该路信号传 输时将并行信号转换为串行信号输出给调制和发射设备。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明的采编单元采用一体化设计，采集单元在同一对外接插件上同 时实现对传感器的供电及信号采集，降低了电缆网设计难度和重量，简化了测 控通信系统设备组成；

(2)本发明采用高速切换开关与四级串联放大电路组合方式对有隔离要求 的信号特性进行调理和阻抗变换，实现了对信号隔离采集，同时消除了波道切 换之间的路际干扰；

(3)本发明通过对数据同步信号进行监测和修正，主动快速消除时间误差 积累，具备数据自动纠偏功能，避免了数据传输带来的码元偏置，实现了高码 率数据的正确恢复和还原；

(4)本发明基于星型拓扑架构方式对遥测参数数据流进行设计，集中控制、 易于维护，某个采编单元因为故障而停机或异常也不会影响其它节点间的通信， 实现故障自动隔离。

附图说明

图1为本发明数据采集传输系统组成原理框图；

图2为本发明数据采集传输系统中采编单元与传感器的连接关系图；

图3为本发明数据采集传输系统中中央处理器与采编单元的连接关系图；

图4为本发明数据采集传输系统中隔离采集组成方框图；

图5为本发明数据采集传输系统中隔离采集电路图；

图6为本发明数据采集传输系统中非隔离采集电路图。

具体实施方式

本发明包括传感器、采编单元、中央处理器，采编单元和中央处理器基于 星型拓扑架构搭建，如图1所示。传感器感受被测对象的物理参量，并按照一 定规律将其转换成电信号输出至采编单元；采编单元采用一体化设计完成传感 器供电、信号采集和编码，对接收的电信号进行调理，将电信号经输入滤波、 放大、采样、A/D转换后送至中央处理器。采编单元内部除了自身设备使用的 电源模块外，采编单元还集成了给传感器供电的电源模块，可以输出传感器常 用的±15V、+5V电压，两种电源模块互相独立、互不影响。通过两种电源模 块的使用，将给传感器供电的功能集成在数据采编单元内部，采编单元通过设 备内部电缆在同一个对外接插件上实现了对传感器的供电及信号采集接口，简 化了测控通信系统配套设备的种类和数量，如图2所示。中央处理器同时向各 采编单元输出数据同步信号和时钟信号，各采编单元接收中央处理器输出的数 据同步信号和时钟信号，如图3所示，数据采编单元输出的各数据包以数据同 步信号为时间基准并实时监测，当监测到数据同步信号发生变化时，此后所有 的数据传输以此点为时间基准，以时钟信号频率输出数据。中央处理器通过控 制总线对采编单元进行时序控制，使采编单元按照预定逻辑输出数据，同时接 收多个采编单元传送过来的已转换为数字量的遥测信号数据，按高频信号等间 隔采样原理编排在内部数据缓冲区，待该路信号传输时将并行信号转换为串行 信号输出给调制和发射设备。

本发明基于星型拓扑架构搭建，采用集中控制和同步采集方法，易于维护， 可以实现故障自动隔离，可有效解决多个采编单元同步工作及高码率数据传输 的问题。

采编单元的隔离采集模块由第一级放大器、第二级放大器、光电耦合器、 第三级放大器、多路切换开关、第四级放大器、A/D变换器组成，如图4所示， 需要采集的信号依次经过第一级放大器、第二级放大器、光电耦合器、第三级 放大器、多路切换开关、第四级放大器实现信号的阻抗匹配和隔离采集，在进 行完信号预处理之后，可以保证进行A/D变换时信号的低阻抗状态，便于后端 AD芯片进行信号采集，实现了信号隔离采集，同时消除了波道切换之间的路 际干扰。

如图5所示，本发明采编单元的隔离采集电路由第一放大器231、第二放 大器232、光电耦合器233、第三级放大器234、多路切换开关235、第四级 放大器236、A/D集成电路237、电阻R₁～电阻R₇、电容C₁～电容C₄组成。 需要进行隔离采集的信号输入端201与第一放大器231的正向输入端相连，需 要进行隔离采集的信号输入端201还通过电容C₁与参考电位相连，第一放大 器231的负向输入端通过电阻R₁与其输出端相连，第一放大器231的输出端 通过电阻R₂、电阻R₄与第二放大器232的负向输入端相连，电阻R₃的一端与 电阻R₂和电阻R₄的公共端相连，电阻R₃的另一端接地；第二放大器232的 正向输入端接地；第二放大器232的负向输入端通过电容C₂与其输出端相连， 第二放大器232的输出端经电阻R₅与光电耦合器233的输入端相连；光电耦 合器233输出端的信号端与第三放大器234的正向输入端相连，光电耦合器 233输出端的信号参考电位与第三放大器234的负向输入端相连，第三放大器 234的负向输入端经过电阻R₆与电容C₃并联组成的电路后与第三放大器234 的输出端相连，同时第三放大器234的输出端还与多路切换开关235的输入端 相连；多路切换开关235的输出端与第四放大器236的正向输入端相连；第四 放大器236的负向输入端通过电阻R₇与其输出端相连；第四放大器236的输 出端与A/D集成电路237的输入端相连，第四放大器236的输出端还通过电容 C4接地；A/D集成电路237的输出端在采编单元内部经过GM8164芯片进行 并串转换之后输出。

本发明隔离采集电路中，放大滤波电路由四级放大滤波器组成，第一放大 器231与电阻R₁、R₂共同构成第一级放大滤波器，第二放大器232与电阻R₃～R₅构成第二级放大滤波器，第三放大器234与电阻R₆构成第三级放大滤波器， 第四放大器236与电阻R₇构成第四级放大滤波器。实际电路设计中，第一级 放大滤波器的电阻R1可分别取不同阻值，阻值范围在0Ω～3KΩ之间。当R1 取值为0Ω时，可实现电压跟随器功能，输入电阻高、输出电阻低、输出与输 入同相位，实现阻抗变换功能。同时根据R1取值不同，使得放大滤波器带宽 不同，可以滤除信号中不同频率范围的噪声。第三级放大滤波器的电阻R₆、第 四级放大滤波器的电阻R₇与第一级放大滤波器的电阻R₁的取值和原理相同。 多级放大滤波器组合在一起，可以对信号进行逐级放大和多个频率段噪声的滤 波。

本发明隔离采集电路中，第二放大器232为反相输入，其输出信号与输入 信号反相，输出电阻很低，可以提高信号的驱动能力，以便有足够能力驱动光 电耦合器。光电耦合器对有隔离要求的信号变换参考电位，使光电耦合器的输 入端与输出端具有不同的参考电位。电容C₁～电容C₄为滤波电容，作用是消除 信号中的高频波动信号和干扰，避免对后端信号造成影响。

如图6所示，本发明采编单元的非隔离采集电路包括多路切换开关331、 放大器332、A/D集成电路333、电阻R31、电容C31；非隔离采集的信号输 入端301与多路切换开关331输入端相连，多路切换开关331的输出端与放大 器332的正向输入端相连；放大器332的负向输入端通过电阻R₃₁与其输出端 相连；放大器332的输出端与A/D集成电路333的输入端相连，放大器332 的输出端还通过电容C31接地；A/D集成电路333的输出端在采编单元内部经 过GM8164芯片进行并串转换之后输出。

多路切换开关235、多路切换开关331采用Analog Devices公司的 ADG406，开关反应典型时间120ns，可以适应高码率数据采集过程中对遥测 参数的高频率波道切换。A/D集成电路237、A/D集成电路333采用Analog  Devices公司的AD7821，将输入的信号进行采样和A/D转换，输出并行8bit 数据送数据总线，在采编单元内部经过GM8164芯片进行并串转换之后输出给 调制和发射设备。

中央处理器同时向各采编单元输出数据同步信号和时钟信号，各采编单元 接收中央处理器输出的数据同步信号和时钟信号，数据采编单元输出的各数据 包以数据同步信号为时间基准并实时监测，当监测到数据同步信号发生变化时， 此后所有的数据传输以此点为时间基准，以时钟信号频率输出数据，解决了在 高码率数据传输过程中带来的大面积码元偏置及翻转的问题。中央处理器接收 多个采编单元传送过来的已转换为数字量的遥测信号数据，按高频信号等间隔 采样原理编排在内部数据缓冲区，待该路信号传输时将并行信号转换为串行信 号输出给调制和发射设备。当某一个采编单元出现异常时，可以实现故障自动 隔离，不会影响其它节点间的通信。本方法实现了航天飞行器高码率数据采集、 存储、传输和故障隔离。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。