丁高林，郭慧斌

（山西汾西重工有限责任公司，山西 太原 030027）

0 引 言

水下特种装备电子系统组成部件庞杂、功能模块繁多，各模块必须严格按照相应时序配合工作，在数据分析时需要获取到装备各个子系统动作的绝对时间，这样才能和试验过程中注入的目标及环境信息同步对应，进而分析验证装备在应对某一时刻目标信息的动作性能指标。针对该需求，设计了一款国产化的多通道状态信号采集记录仪，其具有多通道、精确采样率以及精确时间戳，可以跟随信号状态变化选择性存储数据，在满足需求的同时合理节省存储空间[1-3]。

1 硬件设计与国产化选型

该记录仪是基于国产化ARM 单片机作为主控制单元来实现，选用成都华微电子科技有限公司的HWD32F103 处理器作为主控制器。本系统硬件电路原理框架如图1 所示。

图1 硬件电路原理

除了主控制器之外，功能模块共包括10 部分，以下对部分主要电路的原理和国产化选型进行阐述。

（1）电源电路。该记录仪通过外置+3.6 V 电压的锂电池组供电，主控单元与外围电路选择+3.0 V的工作电压。选用成都华微电子科技有限公司的HWD150-3.0 型超低噪声互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）电压调整器，最大可驱动负载电流达到150 mA，具有过压保护、过流保护以及过热保护等功能，综合性能优异，符合本设计指标要求。

（2）后备电源电路。在设计记录仪时，配备一节14505 锂电池作为后备电源，使得系统具备掉电走时的功能。

（3）外部Flash 存储电路。Flash 存储芯片选用国产上海复旦微电子集团股份有限公司生产的JFM25F128A 芯片，待机电流仅为1 μA，拥有高性能的串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）。本设计中配备了4 片16 MB 的外部Flash，一方面适当增加了记录仪的容量，另一方面通过在4 片Flash之间的交替读写提高了数据吞吐率[4]。

（4）通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）通信电路。该功能模块用于记录仪的授时，通过北斗卫星先给个人用户终端（Persional Computer，PC）完成授时，然后通过PC的串口给记录仪进行授时。通过读取记录仪的绝对时间和PC 时间进行时间累计误差计算，实现时间反馈。此外，其还具备Flash 数据擦除功能和Flash 数据回传功能。选用深圳市国微电子有限公司的RS232 串口协议电平转换芯片，具体型号为SM3232。

（5）低速外部时钟电路。为保证实时通信（Real Time Communication，RTC）走时精度，选用武汉海创电子股份有限公司的ZC84-32.768 kHz 国产型高精度温补晶体振荡器。

（6）高速外部时钟电路。选用武汉海创电子股份有限公司的ZA50 8 MHz 国产型有源晶体振荡器。

（7）复位电路。为增强记录仪系统的可靠性，选择成都华微电子科技有限公司的HWD706 系列专用复位芯片，不仅能提供可靠复位信号，还可以对电源失效、低电池电压等进行监测。

2 HWD32 软件设计

2.1 初始化流程

记录仪所采用的主控制器HWD32F103RB 支持兼容ST 公司目前主推的硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL）库，本设计采用HAL 库开发。系统软件初始化主要包括HAL 库初始化、系统时钟配置、通用输入输出（General Purpose Input Output，GPIO）端口初始化、直接存储器访问（Direct Memory Access，DMA）初始化、SPI 初始化、定时器TIM2和TIM3 初始化、UART1 初始化以及RTC 初始化8个部分。

2.2 主程序流程

记录仪系统主程序执行流程如图2 所示。系统在完成初始化后，先对外部触发电路提供的IO 状态进行识别，根据识别结果选择进入预置模式或采集模式处理分支。在预置模式下，记录仪等待上位机指令的下发，实现授时、反馈、擦除以及回传功能。

图2 主程序执行流程

当记录仪依据外部触发电路提供的IO 状态识别为采集模式时，需要先进行RTC 秒中断的查询。当检测到秒中断达到时，置位启动工作标志，然后记录RTC时钟与TIM2 的定时器当前值，编码为预定上传绝对时间格式，通过SPI 将其写入Flash 指定位置，记录系统启动工作时间。将存储数据的双缓冲区（buff0 和buff1）数据通过SPI DMA 写指令交替写入Flash，当写满4 片Flash 时，复位启动工作标志，停止TIM3 定时器[5]。

2.3 精确采样率与同步绝对时间的程序实现

当识别到进入采集模式时，在RTC 秒中断采集第1 个点，在后面TIM3 的250 μs 中断采集3 999 次，然后关TIM3 定时器及中断，在下次RTC 秒中断到后再次开启TIM3 进行第1 个点采样。这样相当于以1 s 为周期，通过高精度温补晶体振荡器周期性校准TIM3 定时器，保证了1 s 内的250 μs 权值精度，进而使得绝对时间戳的组成分量的精度均接近≤±1 ppm 的误差，采样周期也是校准后250 μs 精确采样率及同步绝对时间设计如图3 所示。

图3 精确采样率及同步绝对时间设计

3 实验结果与分析

针对该记录仪的应用需求，基于LabVIEW 设计了记录仪预置软件和数据处理软件，分别对记录仪的授时、时间反馈、Flash 擦除、数据回传以及数据处理功能进行了应用验证[6]。

在温度与湿度相对恒定的实验室环境下，先通过全球定位系统（Global Positioning System，GPS）/北斗授时仪先给PC 授时，然后通过该预置软件对记录仪进行授时。记录仪预置界面如图4 所示。

图4 记录仪预置界面

走时72 h 后，再次通过GPS/北斗授时仪给PC授时，回传记录仪数据，发现误差小于500 ms。

通过信号发生器注入2 kHz 的方波信号，然后利用记录仪进行采样和数据处理，如图5 所示。

图5 记录仪数据处理界面

通过数据处理分析可以发现采样率误差满足设计要求，在32.5 ms 内，处理软件统计采样点后计算得出的采样率为4 kHz。

4 结 论

基于水下特种装备电子系统在试验过程中对多路状态信息的采集需求和GPS/北斗时间的同步性要求，设计了一款国产化的多通道状态信号采集记录仪，具有精确采样率、精确时间戳，且可以随信号状态变化而选择性存储数据的采集记录仪。通过实验室验证，该国产化记录仪具有较好的走时精度和采样精度，能够满足多路状态信号采集和高精度走时需求，推动国内电子产业的长远发展。