随着近现代航空、航天设备的研究与发展，采编技术已经广泛的应用在环境监测、工业自动化和航空航天等领域。特别是在航天领域，飞行设备在面对各种复杂环境时，信息采集的稳定性和准确性尤为重要[1]，因此对采编设备的性能等技术提出了更高的要求。目前大多数的采编设备都追求提高采集速度和扩展采集通道数，而忽略了数据采集的准确性和稳定性，并且在强电磁干扰环境中采编设备的抗干扰能力就显得尤为重要。本采编设备在满足采集速度与精度的同时，对模拟电路输入端增加冷端补偿电路，对ADC驱动电路进行抗混叠滤波处理，并对采编设备进行了可靠性设计和验证[2]。
1 系统整体设计
采编设备主要由采编器、地面综合测试台和地面测试计算机组成。采编装置供电来自于地面测试台，热电偶网络将温度变化量转换为电压变化量，在采集板卡上变化的模拟电压量经过低通滤波、运放跟随和增益调整进入模数转换芯片变为数字量，并通过内部总线发送给主控卡；采编器主要完成对信号的采集、转发和编码[3]；地面测试台及测试计算机主要对采编器进行功能显示及状态验证，并完成对数据的分析和处理。设备组成如图1所示。
2 硬件电路设计
2.1 采集电路抗干扰优化设计
采集电路前端由32路传感器进行信号采集，经过低通滤波电路滤除有用信号上的高频噪声，由参考结点补偿电路进行温度补偿，减小采集板卡一侧温度变化而造成的测量误差，增益调整电路根据采集量程的不同调整增益，使得后端的AD采集电路能够最大程度地表征原模拟信号，为了减小高频噪声和串扰的干扰，增加了二阶滤波电路，利用二极管的正向导通特性设计了过压保护电路，模拟开关和模数转换器对模拟信号进行采样量化，FPGA通过内部总线对模拟开关和AD采样进行分时控制和切换，并接收来自采集卡的数字信号量[4]。
图1 设备组成框图
采集电路原理设计如图2所示。
图2 采集电路原理设计框图
2.2 A/D转换器抗混叠滤波电路设计
由于要提高AD转换器的转换精度，在AD前端设计了分压跟随电路和抗混叠滤波电路，分压跟随电路用于模数转换芯片输入信号的缓冲作用，由AD8032组成其具有建立时间短和低失真等优点。如图3所示，在两个AD8032之间接入分压电阻R2、R3，可以根据满量程温度范围对应的满量程电压量调整R2和R3的阻值，满足AD转换器的输入要求[5]。
图3 模拟开关及A/D转换电路
由于温度信号变化缓慢属于低频信号，容易受到高频信号的干扰造成信号混叠，降低信噪比，因此在AD7621的前端增加了抗混叠滤波电路设计，可以有效地降低高频信号的干扰，如图3所示，电阻R4和电容C1构成了一个低通滤波电路，有效地衰减了反冲噪声和抑制了外带噪声。在选择电阻R4时，要使R4的阻值尽量小，因为大电阻本身自带电路噪声，会引起板间串扰，因此可以通过增加C1的容值，来减小抗混叠滤波电路的截止频率，提高AD采集的精度[6]。
2.3 冷端补偿结点的优化处理
由于使用热电偶传感器进行温度采集，但热电偶无法直接连接到电路板上，所以在电路板和热电偶之间选用热电偶补偿导线进行连接，热电偶补偿导线在一定范围内与热电偶传感器具有相同的温度特性，补偿导线在其工作范围内，延长热电偶，相当于将热电偶的冷端补偿结点转移到采集设备附近，有效减少了冷端结点受热端(测量端)温度变化的影响[7]。
在以前的设计当中，热电偶通过连接器连接到采编器，采编器内部通过高温导线连接电路板与连接器，再由电路板走线连接至运放，这种连接方式过长，并且导致冷端温度与温度补偿电路的温度很难一致，从而造成测量误差的增大，因此在采编器内部采用补偿导线来进行温度补偿，可以有效地减小测量误差。热电偶的冷端补偿电路如图4所示。
图4 热电偶的冷端补偿电路
3 时序逻辑控制
3.1 采样时序控制
采集设备的模数转换和时序控制都是由主控逻辑进行控制，主控逻辑主要进行模数转换和时序控制，控制数据的采集、转换、编帧和与计算机的总线通信[8]。FPGA根据内部时序逻辑，向外围电路发送各种控制命令。当测试台下发采集命令后，控制模块加载ROM表中的地址，判断是否为勤务信号，模拟开关选通相应信号通道，将信号送入ADC进行模数转换，转换完成后的数据进入4K的RAM缓存，当存满2K数据后通过数据总线传输给地面测试台进行分析和处理[9]。图5为主控逻辑设计框图，图6所示为信号采集流程。
图5 主控逻辑设计框图
图6 信号采集流程框图
3.2 数据缓存模块优化设计
由于上位机每隔25 ms发送一次副帧同步信号，控制FPGA开始采集一个通道数据，但由于采编器采集通道过多，并且采用8倍超采取均值的方法，进行数据采集，因此使用一个RAM或FIFO进行数据缓存，很容易造成数据丢失、移位或误码的现象，影响每个通道数据的读取和分析[10]。因此采用基于“乒-乓”的设计思想，采用双口RAM核进行交替缓存数据设计，双口RAM缓存控制模块如图7所示。
图7 双口RAM缓存控制模块示意图
进行数据采集时，将switch端口赋值为0，代表先写满RAM_A缓存，当RAM_A存满一帧数据后，将switch端口赋值为1，代表写满RAM_B缓存，同时 RAM_A开始向外读数，当RAM_A进行写缓存时，RAM_B开始向外读数，使RAM_A和RAM_B交替进行数据缓存保证数据完整不丢失。
4 系统验证
信噪比是采集设备抗干扰能力的关键指标之一，信噪比越高，采集设备表征模拟温度信号的能力越强精度越高。图8所示为-30～500 ℃和-30～1 200 ℃两通道的测试波形。
图8 选定通道的满量程输入测试波形
表1所示为选定通道的信噪比，结果证明设备信噪比较高，抗干扰能力强。
表1 选定通道信噪比
通道量程/℃信号噪声满量程信噪比SNR/dBT1-30～120063467.142368.82T6-30～50063914.775161.96
5 结论
对采编器的硬件电路和逻辑时序进行了优化处理，对ADC驱动电路进行了抗干扰处理，设计的双口RAM缓存保障了数据传输的稳定性，并且提高了数据采集的精度，该采集设备采集相比传统设备，精度提高0.5%，在全量程测温时，温度误差在±2 ℃以内，完全满足设计要求。该采编设备设计合理，性能稳定，抗干扰能力强，采样精度高，对其他采编设备具有参考价值。
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