多通道数据记录装置的研发和实现

1 绪论

目前较为普遍的远距离传输方式，例如几十公里甚至几百公里，采用调制解调器或是利用现有的电话电缆等一些普通电缆作为传输线，但在传输距离只有几十米或几百米的情况下若继续采用调制解调器会显得既不简单而且造价太高，所以，只能采用信号直接传输的方式，但是信号在长线传输中，往往容易遇到三个问题：一是长线传输易受到外界干扰，二是存在着信号传输延迟，三是高速变化的信号在长线传输中还会出现波反射现象。这些都使信号无法进行远距离传输，引发上述这些传输问题的因素主要有：
（1）地线系统
电子设备中“地”通常有两种含义：一种是“大地”（安全地），另一种是“系统基准地”（信号地）。信号地为系统之间的传输提供参考电位。发送端与接收端之间地的电位差对数据的传输具有很大的影响，当信号的电压小于地电位差时，信号将无法准确传输到接收端。另外在公共地上，电磁干扰容易通过地线进入到信号接收端，降低了数据传输的准确性。
（2）线上分布电容
信号在传输线上传输，当高低电平转换时，线上分布电容会影响信号由低变高的爬坡时间和由高变低的下降时间，而且影响程度的不同会导致信号的占空比发生变化，使信号产生畸变，引发数据错误。要实现长线的可靠传输，必须解决以上所述问题。信号在发送端与接收端之间经过光电耦合器，对传输线同时进行了“隔离”和“浮置”处理，有效的解决了上述传输问题。采用光电耦合器可去掉发送端与接收端之间的公共地线系统，将两个设备电气连接隔离后，让它们之间相互独立，切断了共地环路，使信号进行有效传输并消除和抑制了干扰噪声；信号从发送端通过光电耦合器完成电→光→电信号的转换过程，电流信号又经过长线传输到达接收端的光电耦合器，又完成了一次电→光→电信号的转换过程，在这一传输过程中，只要其输入端有一定量的电信号，那么输出端就能产生相应的电信号，所以信号的逻辑高低传输转变成了电流环传输中是否有电流信号，为避免夹杂在信号中的电气噪声对有用信号造成干扰，可以适当的提高电流，使用低阻传输，将其完全限制在通断电流的幅值内，这样就使相对较弱的电气噪声干扰也不能改变有用信号的电流有无状态。
各章节的内容安排为：第1章：论述了数据记录装置的背景和来源、研究目的和意义，分析国内外一些相关技术的研究现状；第2章：阐述数据记录装置的总体设计及各采集卡的方案；第3章：首先介绍了采集数据流的传输发送方案并详细介绍设计流程；详细阐述了数据帧结构的编帧技术以及模拟开关通道切换的逻辑设计；第4章：介绍装置中的接口技术，对其逻辑以及硬件电路部分做了详细说明。其中，并行长线传输介绍了它的远距离传输的缺陷，分析主要原因，并提出了可靠设计方案；第5章： 主要介绍信号调理电路的设计，详细介绍了电压调理电路、脉压调理电路及温度信号调理电路；第6章：对整个装置进行了功能与性能测试，通过实验和实际数据分析验证其具体的性能指标；第7章：总结数据记录装置的设计情况，得出结论，并对后续的工作做出展望。本文在分析了各种国内外的发展现状基础上，对数据记录装置进行了可靠的模块化设计，从A/D采集技术、长线数据可靠传输、多通道模拟开关切换、模拟量调理、数据发送技术研究，提出相应的设计方案，针对各种设计问题提出相应的应对方法，并且对装置做了整体性能测试和结果。

3 数据采集控制逻辑设计
3.1 概述 ............................................................ 15
3.2 数据采集结构优化设计 ............................................ 15
3.3 内部总线数据逻辑控制 ............................................ 18
3.3.1 主控制卡控制逻辑设计....................................... 18
3.3.2 各采集卡控制逻辑设计....................................... 20
3.4 多通道模拟开关切换 .............................................. 21
4 接口技术
4.1 并行长线控制命令传输的可靠性设计................................. 25
4.1.1 长线信号传输分析 ........................................... 25
4.1.2 长线传输方案设计 ........................................... 27
4.2 采编器与存储器接口设计 .......................................... 31
4.3 本章小结 ........................................................ 32
5 多物理参数信号调理电路的设计
5.1 概述 ............................................................ 33
5.2.电压调理电路设计 ................................................ 34
5.3 脉压调理电路设计 ................................................ 35
5.4 温度信号调理电路设计 ............................................ 37
5.5 ADC 模拟前端运放跟随器的选择..................................... 38

总结
本文研究和设计了一种多通道数据记录装置，主要针对装置中所用到的 A/D 采集、多通道模拟开关、FPGA 逻辑控制、内部总线逻辑设计、并行长线传输、模拟信号调理和帧结构设计等技术进行了研究。文中详细介绍了功能、方案设计，硬件电路设计及逻辑设计，具体工作如下：
（1）介绍了多通道模拟开关切换方式以及各个采集卡发送数据的逻辑设计，对采集卡的帧结构进行了详细编帧；
（2）进行了长线传输的性能分析，并对并行长线传输提出了具体的软硬件方面的优化措施；
（3）介绍了各采集卡模拟信号采集调理电路的设计，并对其中可能出现的问题进行了详细介绍以及叙述了具体解决问题的方案；
（4）介绍了锂电池能否正常工作的具体实验过程，对锂电池的选型给出了判断条件以及详细的数据分析；
（5）针对数据编帧后帧结构是否完善、数据是否完整进行数据采集实验，上位机软件同时进行帧计数校验；
（6）针对多种类传感器的进行校正实验，通过对应的实验以及采集回来的数据进行详细的数据分析；
（7）对上位机软件的标定以及绘图功能进行测试，结合传感器的类型做针对性的相关实验，在此基础上进一步对标定进行校验。多通道数据记录装置在整个飞行器飞行测试实验过程中是非常必要的，整个设备已经具有较高的性能。

参考文献
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