基于C8051F350的无线同步数据采集系统的实现

1 引言
    飞行员操纵飞机时，除了通过各种仪表了解飞机的飞行姿态外，还要通过直接对操纵杆(或方向舵)施力来感受飞机的飞行姿态。歼击机操纵杆／舵操纵力一位移性能评估是歼击机产品质量检测的主要项目之一，是指根据歼击机操纵杆／舵操纵力一位移性能指标要求，检测出其力和位移是否在规定的范围内，并最终给出评估结果。其中力和位移是同一时刻的相对数据，因此要求采集必须同步。该系统主要完成对歼击机操纵杆／舵操纵力和位移的同步数据采集，并通过无线的方法将采集到的力、位移数据传输给评估系统，为评估系统提供绘制力一位移曲线准确的测量数据。

2 系统整体设计
    歼击机操纵杆／舵操纵力一位移性能检测评估系统由采集系统Ⅲ和评估系统构成。采集系统主要包括传感器、信号调理电路、MCU和无线模块。图1为检测评估评估系统硬件框图。

    采集系统由两片C8051F350分别控制，对歼击机操纵杆／舵操纵的施力信号及同一时刻操纵连杆相对力的位移信号进行同步数据采集，然后由各自的无线模块将采集到的数据传输给评估系统。评估系统利用接收到的数据绘制力一位移曲线，和标准曲线相对比后给出评估结果。

3 采集系统硬件设计
3．1 微控制器C8051F350
    采集系统以C8051F350作为核心控制器，完成对力、位移信号的同步数据采集及无线传输。C8051F350是一款完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有高速、低功耗、集成度高、功能强大、体积小巧等优点，其内部有一个全差分24位A／D转换器．该转换器具有在片内校准功能。两个独立的抽取滤波器可被编程到l kHz的采样率。可使用内部的电压基准，也可用差分外部基准进行比率测量。ADC0中包含一个可编程增益放大器，有8种增益设置，最大增益可达128倍。
3．2 信号调理电路
    对歼击机操纵杆／舵操纵的施力及连杆的位移分别通过拉压力传感器和位移传感器后变成模拟电信号，但往往是很微弱的毫伏级信号．这就需要用放大器对信号加以放大。由于通用运算放大器一般都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温漂，且运算放大器只有在信号源为单纯有效信号，且没有干扰的情况下才可用于小信号放大。而在传感器的输出端常会产生较大的干扰信号，有时甚至是共模干扰信号，可采用具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点的测量放大器作为前置放大器。经测量放大器输出的信号中含有噪声，要通过滤波电路滤波后接入C8051F350的模拟信号输入端。
3．3 无线传输部分
    射频模块nRF24L01是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器。它包括频率发生器、增强型ShockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。nRF24L01具有接收和发送数据功能，可在接收模式与发送模式之间任意转换。nRF24L01不仅具有自动应答及自动重发功能，而且在增强型ShockBurstTM模式下还具有数据包识别、地址及CRC校验功能，在数据发送、接收过程中自动完成对一帧数据的CRC校验，减少外部CPU的工作量和传输过程中可能出现的数据丢失现象，增强数据传输的可靠性。

4 采集系统软件设计
    安装在操纵杆手柄上的采集系统为主采集器，采集操纵杆／舵操纵的施力信号；和操纵连杆相连的采集系统为从采集器，采集操纵连杆位移信号。系统要完成对力和位移数据的同步采集，由主采集器控制采集过程的开始和结束。因为两个采集器由两片C8051F350分别控制，所以在数据采集开始前必须使主采集器和从采集器系统同步。主采集器和从采集器的软件流程分别如图2和图3所示。

    主采集器和从采集器系统同步是指两个采集系统开始采集力数据和位移数据的时间是一致的。主采集器和从采集器进行系统同步的流程分别如图4和图5所示。
    主采集器同步初始化后向从采集器发送一个准备开始采集的同步信号，随机检测判断是否接收到从采集器发来的应答信号。同时主采集器使用定时器中断监测同步信号是否丢失，定时时间要远大于从发送同步信号到接收至应答信号所用时间的理论计算值。若定时内没有收到应答信号则认为同步信号丢失，触发中断，在中断子程序中将重新发送同步信号并重新装载定时初值，直至收到应答信号。
    主采集器的定时时间包括发送同步信号的时间、同步信号的传输时间、从采集器检测判断该信号的时间、发送应答信号的时间、应答信号的传输时间和关定时器的时间。可根据执行相应指令所用的机器周期数、C805lF350的机器周期、nRF24L01的数据传输率以及传输的数据量计算得出。从采集器接收到同步信号后，向主采集器发送一个应答信号，经过定时间的延时后两个采集系统完成系统同步。该延时时间包括应答信号的传输时间、主采集器检测判断该应答信号的时间和关定时器的时间，需在测试现场经多次测试确定。因为主采集器和从采集器选用的同是C8051F350，机器周期相同，所以两个采集系统在完成系统同步后的数据采集过程可视为是同步进行。

5 测试结果
    对主采集器、从采集器加入1 V直流偏置、频率为1 kHz、峰值为1 V的同一正弦信号进行同步数据采集，利用MATLAB将采集到的两路数据拟合。图6为多次实验中拟合效果较好的波形，C805lF350的采样频率为19．2 kHz。虽然图6中的两路波形存在一定的偏差，但通过计算可知这一偏差很小，对整个系统不会造成影响，实现了系统的同步数据采集。

6 结束语
    无线同步数据采集系统通过软件控制实现同步采集，减少硬件连接，节省资源。该系统具有电路简单、体积小巧，使用方便等特点，可应用于其他相关场合。