彭平

（中國(guó)特種飛行器研究所湖北荊門448035）

飛艇是利用充氦氣來(lái)提供升力的浮空飛行器，其相對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō)，具有滯空時(shí)間長(zhǎng)、效費(fèi)比極高這兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來(lái)順應(yīng)軍事應(yīng)用的需求，飛艇作為一種高空偵查、通信中繼、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)控、預(yù)警等平臺(tái)，迅速引起了美國(guó)、歐洲、日本及韓國(guó)等眾多國(guó)家的高度重視和發(fā)展。然而，由于飛艇囊體材料對(duì)抗拉伸斷裂強(qiáng)力、面密度和氦氣透氣量等特性都有較高的要求[1-2]，目前尚無(wú)單一材料可以全面滿足這些要求。因此，現(xiàn)階段飛艇囊體一般采用復(fù)合材料，而合成的復(fù)合材料大多電導(dǎo)率很小，產(chǎn)生的靜電很容易積累，而靜電是同性束縛電荷的積累，當(dāng)靜電積累到一定程度時(shí)，在電場(chǎng)的作用下，這些靜電區(qū)域附近沿電場(chǎng)方向的空氣會(huì)發(fā)生擊穿，造成短時(shí)間的局部高壓放電[3]，干擾飛艇艇載電子電氣設(shè)備，損害電子設(shè)備或器件等。在飛艇外場(chǎng)飛行試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于積累在飛艇囊體表面上的靜電目前沒(méi)有有效的檢測(cè)措施，而長(zhǎng)期積累的靜電放電會(huì)給飛艇的安全飛行構(gòu)成安全隱患。為了能夠有效及時(shí)地監(jiān)測(cè)飛艇囊體表面靜電積累及分布情況，防止靜電積累，必須要對(duì)囊體表面的靜電特性進(jìn)行檢測(cè)，了解飛艇囊體表面靜電的累積情況，分析靜電在囊體上分布特性以評(píng)價(jià)靜電的危險(xiǎn)程度，為高空大型飛艇囊體表面靜電防護(hù)提供可靠試驗(yàn)依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測(cè)試控制器由STC89C52單片機(jī)、電容式靜電傳感器、信號(hào)放大電路和濾波電路組成。當(dāng)靜電傳感器感應(yīng)到囊體表面上的靜電時(shí)，靜電傳感器將感應(yīng)出同頻率的直流反饋信號(hào)輸出，通過(guò)信號(hào)放大電路將信號(hào)放大后濾波，最后通過(guò)單片機(jī)內(nèi)的邏輯判斷程序進(jìn)行比較判斷，解算、排序、打包后通過(guò)艇載無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)傳回地面，其設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC89C52單片機(jī)

測(cè)試控制器選用單片機(jī)作為控制芯片，采用STC89C52單片機(jī)[4]結(jié)合外界輔助電路構(gòu)成。該單片機(jī)是32位的ARM Cortex—M3內(nèi)核，穩(wěn)定工作頻率可達(dá)72 MHz，擁有從64 kB到128 kB的閃存可選程序存儲(chǔ)器，20 kB的SRAM，2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)低功耗高性8位單片機(jī)，結(jié)合8位微處理器和Flash存儲(chǔ)技術(shù)構(gòu)成功能強(qiáng)大單片微處理器，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。在本設(shè)計(jì)中，在單片機(jī)XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）引腳上接上石英晶體構(gòu)成時(shí)鐘脈沖信號(hào)的自激振蕩器。

2.2 靜電傳感器

靜電傳感器一般由傳感器電極、絕緣管以及電磁屏蔽罩三部分組成，其原理是通過(guò)改變置于靜電場(chǎng)中的平板電容值來(lái)引起極板上電荷的變化從而產(chǎn)生微弱電流，再利用放大電路對(duì)此電流放大。當(dāng)靜電傳感器檢測(cè)電極檢測(cè)到飛艇囊體表面帶電顆粒時(shí)，由于靜電感應(yīng)，在靜電電極內(nèi)外表面將產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相反的電荷，因此，靜電傳感器可以用電路等效靜電傳感器敏感元件[5-6]，等效電路如圖2所示。

圖2 靜電傳感器等效電路圖

從傳感器等效電路可以得到，靜電傳感器的輸出信號(hào)是其對(duì)地電容上的感應(yīng)電荷[7-8]，并在其上建立電壓，信號(hào)極其微弱，但其泄漏電阻卻較大，所以，靜電傳感器具有泄漏電阻大、電荷信號(hào)微弱的特點(diǎn)。

2.3 前置放大電路設(shè)計(jì)

由于靜電傳感器工作由平板電容的振蕩極感應(yīng)輸出約為10-9數(shù)量級(jí)的低頻微弱靜電電流信號(hào)（頻譜范圍0～1.5 kHz之間），在靜電監(jiān)測(cè)過(guò)程中，依據(jù)靜電傳感器的采集原理，如果靜電傳感器采集的信號(hào)有少量電荷泄漏掉，將會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成很大的測(cè)量誤差[9-10]，無(wú)法準(zhǔn)確的定位飛艇囊體靜電的積累情況。因此，文中將采用雙運(yùn)放LF324AD組成的具有高精度、高增益、高輸入阻抗、高共模抑制比和低溫漂等特點(diǎn)的兩級(jí)前置放大電路[11]，將放置放大電路放置在靜電傳感器內(nèi)部，以對(duì)靜電傳感器信號(hào)源起到阻抗匹配和初步的電荷放大功能，如圖3所示。

圖3 前置放大電路

2.4 信號(hào)分檔放大電路設(shè)計(jì)

靜電信號(hào)為微弱電流信號(hào)，靜電傳感器采集信號(hào)時(shí)的量化誤差較大，從而降低信號(hào)采集的精度，影響測(cè)量結(jié)果。為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，微弱信號(hào)經(jīng)前置放大電路放大后，需再經(jīng)一級(jí)分檔放大，分檔放大后輸出正負(fù)交替的方波信號(hào)。方波信號(hào)經(jīng)移相整流后送至A/D端供使用[12-13]。圖4為分檔放大電路。

圖4 信號(hào)分檔放大電路

2.5 濾波電路

靜電傳感器所采集到飛艇囊體表面的靜電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路以后認(rèn)為mV級(jí)信號(hào)，外界環(huán)境及艇上電子電氣設(shè)備的噪聲對(duì)靜電信號(hào)影響非常明顯。因此，設(shè)計(jì)濾波電路對(duì)靜電信號(hào)進(jìn)行濾波處理。使用MCP6021T-E/OT組成有源低通濾波電路，對(duì)信號(hào)源進(jìn)行濾波和電荷放大功能[14-15]，如圖5所示。

圖5 濾波電路

2.6 A/D轉(zhuǎn)換電路

將微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、整流、濾波后變?yōu)橹绷餍盘?hào)，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，最后輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)選用AD574A轉(zhuǎn)換芯片，如圖6所示。

圖6 AD574A

該轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間為25 us，線性誤差為±1/2LSB，內(nèi)部具有時(shí)鐘脈沖源和基準(zhǔn)電壓源。該模塊采用單極性對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其高8位數(shù)據(jù)線接單片機(jī)數(shù)據(jù)線，低4位數(shù)據(jù)線接單片機(jī)的低4位數(shù)據(jù)線，其信號(hào)要求無(wú)論是單片機(jī)對(duì)其啟動(dòng)控制還是對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取都應(yīng)為高電平有效，單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取采用查詢方式。

3 軟件設(shè)計(jì)

靜電傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、整流和濾波后傳送給單片機(jī)，其信號(hào)的正負(fù)判別、A/D轉(zhuǎn)換、誤差修正及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ芫蓡纹瑱C(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 數(shù)據(jù)通信

靜電控制器與地面站之間的通信采用數(shù)傳電臺(tái)模塊，數(shù)據(jù)波特率9 600，地面站數(shù)傳電臺(tái)模塊經(jīng)過(guò)芯片轉(zhuǎn)換為USB接口與地面站計(jì)算機(jī)連接。單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)早TEMP中，數(shù)據(jù)每發(fā)送一次后TEMP自動(dòng)加1，然后延時(shí)1 s在進(jìn)行下一次發(fā)送。

3.2 軟件流程

軟件采用C語(yǔ)言模塊程序設(shè)計(jì)技術(shù)，包括主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)發(fā)送。單片機(jī)上電后完成系統(tǒng)初始化，包括設(shè)置波特率為9 600 bps，定時(shí)器T工作方式，RS232串行口工作方式，開(kāi)中斷，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)求平均，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，等待發(fā)送。其程序流程圖如圖7、圖8所示。

圖7 程序控制流程

圖8 A/D程序流程

4 試驗(yàn)與分析

4.1 靜電監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

由于飛艇在實(shí)際飛行過(guò)程中遇到的情況比較復(fù)雜，采用隨艇飛行監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不容易采集及控制。因此，采用在飛艇飛行結(jié)束以后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)飛艇囊體表面靜電進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)飛艇囊體表面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在飛艇囊體表面選取A、B、C、D、E、F、G等7個(gè)作為靜電采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 飛艇表面靜電監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

通過(guò)使用靜電監(jiān)測(cè)器長(zhǎng)期，多角度對(duì)飛艇囊體表面的靜電進(jìn)行監(jiān)控，采集系列靜電數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，準(zhǔn)確掌握飛艇在試驗(yàn)飛行過(guò)程或在地面長(zhǎng)期錨泊過(guò)程中飛艇囊體表面靜電積累的部位及分布規(guī)律，分析靜電積累特性及靜電放電對(duì)艇載設(shè)備的影響。

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)和誤差分析

本試驗(yàn)有效測(cè)量選取200～10 000 V，這就要求放大電路和A/D工作在30倍寬的范圍內(nèi)，勢(shì)必降低準(zhǔn)確度，尤其是低端的量化誤差會(huì)很大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：

1）靜電測(cè)量采用非接觸性傳感器，當(dāng)距離改變時(shí)傳感器的輸出明顯改變，因而保證傳感器與被測(cè)物體之間的準(zhǔn)確定位是減少測(cè)量誤差的有效手段；

2）傳感器振梁振幅的波動(dòng)將引入較大的誤差，這一點(diǎn)可通過(guò)傳感器的良好設(shè)計(jì)和加工改善；

3）靜電傳感器的非線性特征產(chǎn)生的誤差。

4）傳感器輸出經(jīng)微弱信號(hào)放大也會(huì)產(chǎn)生誤差，數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為8位，引入一定的量化誤差。

5）在囊體表面設(shè)置固定探頭的支架，而且探頭到囊體表面的距離也會(huì)隨著囊體內(nèi)氣壓的變化而改變，給測(cè)量的數(shù)據(jù)引入不確定的誤差。

根據(jù)飛艇飛行后對(duì)囊體表面靜電的試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，結(jié)合所有因素造成總的誤差進(jìn)行分析，對(duì)所采集到的飛艇囊體靜電數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合[16]，擬合后的誤差如表1所示，獲得了較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)與誤差

5 結(jié)論

文中提出了一種基于單片機(jī)自感應(yīng)式飛艇表面靜電測(cè)試控制器設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)由單片機(jī)、電容式靜電傳感器，信號(hào)放大電路、信號(hào)分檔放大電路和信號(hào)濾波電路組成。分析靜電放電對(duì)飛艇艇載設(shè)備的干擾和破壞以及由于靜電產(chǎn)生的嚴(yán)重后果。通過(guò)對(duì)囊體表面的靜電特性進(jìn)行檢測(cè)，掌握飛艇在飛行或長(zhǎng)期地面錨泊過(guò)程中囊體表面靜電積累的部位及分布規(guī)律，為高空大型飛艇囊體表面靜電防護(hù)提供可靠試驗(yàn)依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)具有測(cè)試精度高，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。