基于sbRIO的多通道多類微弱小信號采集與處理

謝 剛, 陳源寶, 黃 雙

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

現代船舶涵蓋航行操縱、動力推進、通信導航等多個環節，是典型的信息物理系統[1-3]。早期的設計中由于缺乏一體化的設計手段，導致電子信息系統煙囪化堆疊式現象普遍存在，存在信息設備冗余、異構系統眾多、數據共享不暢等頑疾，對各類傳感器信號均采用獨立采集的方式[4-5]，存在多種信息采集裝置，造成一定的資源浪費。隨著船舶信息系統扁平化、集成化、智能化的發展，作為數據獲取源頭的數據采集系統，其高密度、一體化集成需求越發強烈。進一步的，異構系統中進行集成、高通量、低噪聲、大動態、兼容性的微弱信號是異質信號集成設計的難點，也是需重點解決的問題。在調研現代船舶各類傳感器信號輸出特點和電氣特性基礎上，選取兩種典型傳感器，進行高密度兼容集成采集，在信號采集前端通過不同類型傳感器(恒壓供電與ICP供電)進行電路的統一兼容化設計，采用“FPGA+sbRIO(single board RIO)”的處理架構，使用sbRIO內部多種成熟的模塊資源，同時以圖形化的方式實時顯示各通道信號數據，從而提出一種兼容采集的集成優化設計方法。

傳感器數據采集系統一般由信號采集模塊與信號處理模塊組成，信號采集模塊用于傳感器輸出信號的采集，將模擬量信號轉換為數字信號；信號處理模塊一般采用“FPGA+控制器”的處理架構[6-7]，用于處理轉換后的數字信號，信號經分析后發送至遠程監控終端?，F有信號采集系統多采用“FPGA+DSP/ARM”的處理架構，該架構較為成熟通用，適用于大多數應用場景，然而，該架構對處理芯片的軟件設計能力要求較高，同時不具備圖形化的顯示界面，需單獨開發上位機顯示程序，開發難度較大。與此同時，多數信號采集系統設計上只考慮了某一種或某一類傳感器信號的采集，信號采集模塊的兼容性不強，導致需針對每種傳感器都設計一次信號采集模塊，開發較為煩瑣。

sbRIO是一種可重新配置的板載嵌入式控制器，集成了實時處理器、用戶可重配置FPGA和I/O。sbRIO可輕松嵌入具有靈活性、可靠性和高性能需求的高密度應用中。同時具有以太網、CAN、USB、串行和SDHC端口。sbRIO內建多達600多個LabVIEW函數，可建立用于實時控制、分析、數據記錄與通信的多線程實時嵌入式系統，極大地簡化了用戶嵌入式軟件開發難度，同時根據不同應用場景進行模塊化切換，具有良好的靈活性與可靠性[8]。

基于sbRIO具有開發速度快、靈活拓展性強等工程化應用特點，結合船舶系統各部位傳感器的多通道多類微弱信號采集處理，提出了一種基于sbRIO的多通道多類微弱小信號采集與處理的方法，實驗表明搭建的數據采集系統在高密度、傳感器接入兼容性、本底噪聲、信號一致性、帶寬平坦度方面表現優異，可為智能船舶異構系統集成優化設計提供技術基礎。

1 系統總體設計

基于sbRIO的多通道多類微弱小信號采集與處理系統主要由36路傳感器、信號采集模塊、信號處理模塊、上位機組成。具體框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

上位機軟件通過圖形界面配置整個采集系統各通道傳感器接入類型、采樣分辨率等參數，將配置指令下發給信號處理模塊上的sbRIO控制器，sbRIO控制器將指令解析后發與信號采集模塊，信號采集模塊完成通道配置。配置完成之后接入各類傳感器(涉及到兩類傳感器即ICP供電與恒壓供電傳感器，具體參數及電氣特性在下一節中介紹)。傳感器接入采集系統后，經過信號采集模塊進行信號調理、濾波、前置放大等信號預處理后，使用ADC芯片進行模數轉換后進入FPGA進行串行處理。FPGA處理之后的數據傳輸至信號處理模塊，信號處理模塊上的sbRIO控制器處理接收串行數據后，利用RealTime(簡稱RT)狀態機進行數據的存儲轉換，并封裝成以太網數據包上傳至上位機進行實現顯示與監控。上位機軟件基于LabVIEW開發，通過調用RT網絡通信模塊與信號采集系統進行人機交互，使用模塊化設計，有效地減少上位機軟件開發難度，提升開發效率。

2 傳感器介紹

本系統涉及到兩類傳感器，ICP傳感器(下稱I型傳感器)和恒壓供電傳感器(下稱II型傳感器)。

傳感器參數如表1所示。

表1 兩型傳感器的電氣特性

由表1可知，采集系統性能參數應兼顧兩類傳感器的電氣特性的上下限，才能實現兼容兩類傳感器的采集接入。因此，本系統需具備ICP恒流2～20 mA供電及恒壓12～15 V供電能力，同時具備18 μV～1 V的微弱小信號采集處理能力。與此同時，本系統采樣率為204.8 kHz，采樣位數為24 bit，帶寬為10 Hz～40 kHz。

3 系統硬件設計

信號采集系統硬件部分由信號采集模塊、信號處理模塊兩部分組成。

3.1 信號采集模塊

信號采集模塊用于完成傳感器模擬信號的調理和傳感器信號兼容接入采集，主要構成包括驅動前端傳感器接口轉換、信號放大和A/D轉換[9]。每通道能夠以高達204.8 kHz的速率對信號進行數字化，從而實時、無失真地對傳感器信號進行采集和傳輸。

信號采集模塊由IEPE激勵及偏置電路、前置放大器、低通濾波器、平衡驅動放大器、ADC和FPGA組成，原理如圖2所示。

圖2 信號采集模塊原理框圖

信號采集模塊根據所使用的傳感器按其原理設計為恒流源驅動(I型傳感器)和恒壓源驅動(II型傳感器)兩種通道類型，從而實現兩類傳感器的兼容接入。

恒流源驅動電路設計如圖3所示。

圖3 恒流源驅動電路原理框圖

恒流源驅動電路適用于采用恒流源驅動的I型傳感器，其中恒流源輸出最大10 mA(可以通過更改電阻值改變其驅動電流)，其恒流源驅動電壓為24 V；AC耦合采用4.7 μF耦合電容，降低低頻響應；為保證AC耦合和后端低通濾波電路的獨立性，在此處需要使用放大電路進行隔離；對于后端的低通濾波器，因為I型傳感器的頻響范圍在高頻處為10 kHz，低通濾波器設計采用Sallen-Key濾波器；后端其輸入為全差分，為充分應用其輸入量程以及降低噪聲，在ADC前端采用增益為1的全差分電路，用于隔離驅動后端的ADC芯片。

恒壓源驅動電路設計圖4所示。

圖4 恒壓源驅動電路原理框圖

該調理電路與恒流源驅動電路不同之處在于驅動電源，II型傳感器為恒壓驅動，采用15 V驅動電壓(可用過調節電阻值改變恒壓電壓值)。因為此傳感器的頻響范圍在高頻處為40 kHz，低通濾波器可以設計截止頻率為45 kHz、增益為1的Sallen-Key 濾波器。

3.2 信號處理模塊

信號采集模塊用于完成串行數據解析、數據存儲轉換和與上位機的網絡通信。信號處理模塊主要由核心控制模塊、電源模塊、通信總線模塊3部分組成，原理框圖如圖5所示。

圖5 信號處理模塊原理框圖

核心控制模塊為信號處理模塊的核心部分，該模塊采用單板嵌入式系統sbRIO-9651作為實時控制器，用于對數據的實時處理。sbRIO-9651結合了Xilinx Zynq完全可編程片上系統(SoC)、通用組件(如內存)和完整的中間件解決方案，以最大限度減少嵌入式控制或監測應用的設計時間和風險，該控制器搭載了NI Linux RealTime，兼具了實時操作系統的性能和Linux的開放性，具有較低的開發難度與良好的工程應用性。sbRIO模塊實物圖如圖6所示。

圖6 sbRIO模塊

4 系統軟件設計

信號采集系統軟件以硬件結構體系為基礎，結合模塊化的軟件設計思想開發而成，具備數據實時采集、數據實時顯示、采集參數配置管理等功能。軟件框架如圖7所示。

圖7 系統軟件框圖

系統軟件由FPGA軟件、RT軟件、上位機軟件3部分組成。其中FPGA軟件運行于信號采集模塊FPGA上，主要實現數據采集與轉換功能；RT軟件運行于sbRIO實時控制器中，主要實現FPGA傳輸的數據協議的轉換，同時封裝成以太網數據包發送至上位機；上位機軟件運行于監控終端，主要實現人機交互功能，如數據顯示、采集參數配置等。FPGA和RT均集成在信號采集系統中，通常稱為下位機，上位機與下位機之間通過標準的TCP協議進行通信。

FPGA軟件用于控制ADC芯片進行模數轉換，并將數字量進行高速緩存，按一定協議發送至RT軟件。

FPGA軟件主要為邏輯控制，通過控制采集時鐘、FIFO緩存、RST 信號線等邏輯實現[10]。

RT軟件主要由3個模塊組成，分別是數據采集模塊、調試接口模塊及核心的網絡通信模塊。數據采集模塊接收由FPGA采集處理后的傳感器信號數據，并以相應協議進行數據解析后發送至網絡通信模塊。網絡通信模塊收到數據采集模塊解析后的數據后，對所有通道傳感器數據進行統一封裝，通過TCP網絡協議發送至上位機進行顯示或處理。同時，網絡通信模塊可接收上位機的配置參數等指令信息，并按相應協議轉換至數據采集模塊，實現數據采集參數配置。調試模塊與數據采集模塊及網絡通信模塊相連，用于監視兩模塊的運行裝置，將兩模塊運行過程中的狀態或錯誤信息發送至上位機。

上位機軟件為基于LabVIEW開發的顯示軟件，通過NI自帶的LabVIEW庫進行開發，極大地降低了開發難度，縮減了開發周期，適用于工程化應用和快速開發[11]。

5 測試結果分析

按照上文進行軟硬件設計之后，通過一系列實驗對設計后的系統進行功能性能驗證測試，主要包括36通道測試、系統本底噪聲測試、信號一致性測試、傳感器兼容接入測試、多通道信號并行采集測試。系統測試實驗原理示意圖如圖8所示，測試儀器及工具見表2。其中對于36通道測試、信號一致性測試采用標準信號發生器作為系統信號輸入，本底噪聲測試使用50 Ω短路端子作為系統信號輸入，傳感器兼容接入測試使用兩型傳感器作為系統信號輸入。

圖8 測試實驗示意圖

表2 測試儀器及工具

5.1 36路通道測試

按圖8將標準信號(頻率1 kHz，有效值1 V的正弦波)與系統信號輸入接口相接，依次輸入每個通道，用上位機軟件將信號采集系統的采樣頻率設置為204.8 kHz，如圖9所示，將fs設置為204800。軟件開啟采集，上位機能實時顯示各通道數據和波形，如圖10所示，RMS一列為各通道電壓有效值數據，居中上部窗口為實時顯示波形，下部窗口為頻譜信息，下同。記錄每個通道的電壓值，如表3所示。

表3 36通道測試數據

圖9 采樣率設置界面

圖10 各通道數據及波形顯示界面

測試結果表明，信號采集系統能同時正確采集所有通道信號，并實時在軟件上進行圖形化顯示。

5.2 本底測試

按圖8將50 Ω短路端子與系統信號輸入接口相接，用于測試每個通道的本底噪聲，同時將信號輸入模式設置為IEPE激勵模式如圖9所示，記錄每個通道的本底噪聲，如表4所示。

表4 本底噪聲測試數據

測試結果表明，信號采集系統每個通道本底噪聲均小于18 μV，滿足I型傳感器的信號下限，因此，該信號采集系統最小能支持本底噪聲電壓值以上的微弱小信號采集，滿足系統設計要求。

5.3 信號一致性測試

根據4.1節的數據和式(1)，計算結果如表5所示。

表5 信號一致性測試數據

ΔG=20 log(ai/a1)

(1)

測試結果表明，ΔG在±0.3 dB以內，滿足JJG834—2006《動態信號分析儀鑒定規程》中的信號一致性B級要求，具有良好的信號一致性。

5.4 傳感器兼容接入測試

按圖8將I型傳感器與系統信號輸入接口相接，保持采樣率不變，同時將信號輸入模式設置為IEPE激勵模式，如圖9所示。軟件開啟采集，敲擊I型傳感器后，上位機能實時顯示傳感器信號波形，如圖11所示。更換II型傳感器，將信號輸入模式設置為DC激勵模式，如圖12所示。軟件開啟采集，敲擊II型傳感器后，上位機能實時顯示傳感器信號波形，如圖13所示。

圖11 I型傳感器信號波形顯示界面

圖12 II型傳感器輸入模式配置界面

圖13 II型傳感器信號波形顯示界面

測試結果表明，信號采集系統能兼容兩型傳感器信號采集，只需要通過軟件配置即可。

5.5 多通道信號并行采集測試

本系統為兼容兩型傳感器的36通道并行采集系統，為了驗證本系統多通道信號并行采集能力，使用標準信號源對8路通道同時注入標準正弦信號，其中CH4～CH7注入頻率2 kHz、有效值500 mV的正弦波，其中CH8～CH11注入頻率1 kHz、有效值1 V的正弦波，上位機能實時顯示各通道采集波形及頻譜，如圖14所示，RMS一列為采集到的有效值數據，從圖中可以看出，信號采集系統可實現多通道信號的并行采集，并能正確顯示注入信號波形與頻率，并達到相應精度要求。

圖14 多通道信號并行采集測試

6 結束語

介紹了一種基于 sbRIO的多通道多類微弱小信號采集與處理的方法，該方法通過在信號采集前端對恒壓供電及ICP供電傳感器進行電路上的統一兼容化設計，利用sbRIO內部多種成熟的模塊資源對數據進行實時處理，同時以圖形化的方式實時顯示各通道信號數據，實現多通道多類傳感器的實時監測。實驗表明搭建的信號采集系統在高密度、傳感器接入兼容性、本底噪聲、信號一致性、帶寬平坦度方面表現優異，可在204.8 kHz采樣頻率下采集36路18μV～1V(RMS)的微弱小信號，可為智能船舶相關數據采集系統設計提供技術基礎。