白 冰，張宏德，趙心欣，司群英

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引言

運(yùn)載火箭在出廠前需要開(kāi)展大量的測(cè)試工作，特別是在火箭總裝測(cè)試階段需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥的極性進(jìn)行測(cè)試，以確保電磁閥極性的正確性。

以往運(yùn)載火箭在總裝出廠測(cè)試階段，只能通過(guò)工作人員人工判斷動(dòng)作狀態(tài)，由于火箭動(dòng)力系統(tǒng)有近百個(gè)電磁閥，因此傳統(tǒng)方式耗費(fèi)大量人力和時(shí)間，工作效率較低，并且無(wú)法進(jìn)行量化測(cè)試評(píng)估。

本文設(shè)計(jì)了一套基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Wireless Sensor Networks，WSN）的運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥極性測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以智能自主、小型便攜，產(chǎn)品化為設(shè)計(jì)原則，以高精度、快速測(cè)試、自動(dòng)化判讀為目標(biāo)，可有效提高運(yùn)載火箭出廠測(cè)試階段的測(cè)試效率和智能化水平，提高了測(cè)試覆蓋性和量化測(cè)試程度。

1 運(yùn)載火箭電磁閥極性測(cè)試系統(tǒng)

基于WSN的運(yùn)載火箭電磁閥極性測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用于運(yùn)載火箭總裝測(cè)試階段，主要用于完成運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)箭上電磁閥的極性測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與飛行時(shí)序進(jìn)行自動(dòng)對(duì)比判讀，給出電磁閥極性正確性的判讀結(jié)果。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體功能如下：

a）采用干簧管、磁阻傳感器等實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥（含電氣閥和電液閥）開(kāi)關(guān)動(dòng)作的非接觸測(cè)量；

b）采用WSN實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)試終端節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，采用AES-128加密算法對(duì)通信內(nèi)容進(jìn)行加密保護(hù)；

c）采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/GPS實(shí)現(xiàn)高精度授時(shí)，準(zhǔn)確記錄全箭近百個(gè)電磁閥動(dòng)作時(shí)序；

d）通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線配置，使用靈活，適用性廣；

e）采用自動(dòng)數(shù)據(jù)解析處理與智能比對(duì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)判讀及準(zhǔn)確定位。

2 基于WSN的運(yùn)載火箭電磁閥極性測(cè)試系統(tǒng)組成

基于WSN的運(yùn)載火箭電磁閥極性測(cè)試系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)、電纜網(wǎng)和監(jiān)測(cè)判讀便攜計(jì)算機(jī)組成，具體如圖1所示。

圖1 電磁閥極性測(cè)試系統(tǒng)組成Fig.1 Schematic Diagram of Solenoid Valve Polarity Test System

a）傳感器節(jié)點(diǎn)：采用非接觸式磁感應(yīng)傳感器采集電磁閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作；

b）無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)：用于傳感器信號(hào)采集、測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)線通信、測(cè)試數(shù)據(jù)匯總。包括1個(gè)主節(jié)點(diǎn)，6個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)按照實(shí)際的情況進(jìn)行測(cè)量區(qū)域劃分，負(fù)責(zé)各個(gè)傳感器的信息采集，并通過(guò)無(wú)線信道發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)；各終端節(jié)點(diǎn)的軟件、硬件設(shè)計(jì)保持一致，通過(guò)開(kāi)機(jī)檢測(cè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)角色設(shè)定。主節(jié)點(diǎn)放置于被測(cè)對(duì)象遠(yuǎn)端，接收其余終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。

c）監(jiān)測(cè)判讀計(jì)算機(jī)：放置于被測(cè)對(duì)象遠(yuǎn)端，接收主節(jié)點(diǎn)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和判讀，形成測(cè)試報(bào)告。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥分為電氣閥和電液閥。根據(jù)兩種不同電磁閥的特點(diǎn)，系統(tǒng)選用了不同的傳感器。其中，電氣閥動(dòng)作采集傳感器選用開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出的干簧管傳感器進(jìn)行動(dòng)作采集。干簧管通常由兩個(gè)軟磁性的金屬簧片組成。簧片觸點(diǎn)被封裝在充有高純度的惰性氣體（如氮、氦等）或真空的玻璃管里，在周?chē)鸁o(wú)磁場(chǎng)時(shí)，兩片簧片并未接觸；當(dāng)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)使兩片簧片端點(diǎn)位置附近產(chǎn)生不同的極性，兩片不同極性的簧片將互相吸引并閉合。干簧管比一般機(jī)械開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、速度快、工作壽命長(zhǎng)。與電子開(kāi)關(guān)相比，具有抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，工作可靠性高。

電液閥動(dòng)作時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，因此不能同電氣閥傳感器選型保持一致?？紤]電液閥的磁場(chǎng)強(qiáng)度，應(yīng)優(yōu)先選擇對(duì)磁場(chǎng)感應(yīng)靈敏高的模擬量輸出電磁傳感器。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)霍爾傳感器、加速度傳感器、振動(dòng)傳感器、三軸磁阻傳感器性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，選用的單軸電磁場(chǎng)傳感器，該傳感器具有靈敏度高、抗干擾性能好的特點(diǎn)。

2.2 無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)按照功能劃分，分為采集節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)電纜接收傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量的電磁閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并將采集結(jié)果發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)將接收到的結(jié)果匯總后通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給監(jiān)測(cè)判讀計(jì)算機(jī)，供數(shù)據(jù)判讀使用，具體見(jiàn)圖2。

圖2 無(wú)線采集架構(gòu)示意Fig.2 Schematic Diagram of Wireless Architecture Design

無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)主要由主控單元、供電單元、無(wú)線通信模塊、有線通信模塊、時(shí)間同步模塊組成，具體見(jiàn)圖3。

圖3 無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)Fig.3 The Design of Wireless Nodes

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電磁閥極性測(cè)試系統(tǒng)軟件包括嵌入式監(jiān)測(cè)軟件和監(jiān)測(cè)控制與解析判讀軟件，其中嵌入式監(jiān)測(cè)軟件安裝在終端節(jié)點(diǎn)的FPGA中，完成設(shè)備狀態(tài)管理，電磁閥動(dòng)作和時(shí)間信息的采集整理、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能；監(jiān)測(cè)控制與解析判讀軟件安裝在監(jiān)測(cè)判讀便攜計(jì)算機(jī)中，完成系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的顯示、測(cè)試流程的管控，以及測(cè)試數(shù)據(jù)的解析判讀等功能，具體軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程Fig.4 Software Flow Chart

嵌入式監(jiān)測(cè)軟件運(yùn)行于終端節(jié)點(diǎn)中的主控FPGA中，主要負(fù)責(zé)建立Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)，并將采集到電磁閥傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)；當(dāng)接收到Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測(cè)判讀計(jì)算機(jī)。

嵌入式監(jiān)測(cè)軟件使用QuartusII集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)，由Verilog及C語(yǔ)言共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，軟件包含串口通信、授時(shí)模塊驅(qū)動(dòng)、無(wú)線模塊驅(qū)動(dòng)、有線模塊驅(qū)動(dòng)、傳感數(shù)據(jù)接收處理、狀態(tài)指示、命令解析數(shù)據(jù)打包、主邏輯控制等部分。軟件功能模塊框圖如圖5所示。

嵌入式監(jiān)測(cè)軟件主要功能包括：

a）通過(guò)A/D采集電液閥傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定閾值確定電液閥的動(dòng)作狀態(tài)；

b）通過(guò)開(kāi)關(guān)量檢測(cè)電氣閥的傳感器數(shù)據(jù)，判斷電氣閥動(dòng)作狀態(tài)；

c）通過(guò)RS232串行接口，接收BD/GPS時(shí)間戳信息；

d）通過(guò)RS232串行接口與Zigbee模塊通信，發(fā)送、接收無(wú)線數(shù)據(jù)；

e）通過(guò)SPI接口與網(wǎng)絡(luò)模塊通信，向以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)；

f）檢測(cè)硬件開(kāi)關(guān)狀態(tài)，確定節(jié)點(diǎn)本身角色。

圖5 嵌入式監(jiān)測(cè)軟件模塊設(shè)計(jì)Fig.5 The Design of Monitoring Software

時(shí)序解析與自動(dòng)判讀軟件運(yùn)行于監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)中，用來(lái)查看、處理傳感器數(shù)據(jù)，生成時(shí)序測(cè)試報(bào)告，軟件使用Visual Studio2010集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。軟件由以太網(wǎng)通信模塊、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示3部分組成。軟件內(nèi)部信息流示意如圖6所示。

圖6 時(shí)序解析與自動(dòng)判讀軟件模塊組成Fig.6 The Design of Sequence Analysis Software

a）接口通信模塊：負(fù)責(zé)接收終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；

b）數(shù)據(jù)處理模塊：可通過(guò)配置文件，靈活設(shè)置每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的電磁閥名稱。根據(jù)第1個(gè)電磁閥動(dòng)作信號(hào)作時(shí)間為時(shí)序基準(zhǔn)，以起飛信號(hào)作為時(shí)序零點(diǎn)。將實(shí)際測(cè)試時(shí)序與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序文件對(duì)比，進(jìn)行判讀并生成測(cè)試報(bào)告；

c）數(shù)據(jù)顯示模塊：根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，將電磁閥動(dòng)作時(shí)序等信息顯示在界面上。數(shù)據(jù)顯示模塊具有設(shè)置功能，可根據(jù)傳感器編號(hào)進(jìn)行重新命名。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥極性測(cè)試系統(tǒng)完成硬件和軟件的開(kāi)發(fā)調(diào)試后，在火箭總裝階段對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥極性開(kāi)展了實(shí)時(shí)測(cè)試，如圖7～10所示。

圖7 電磁閥極性測(cè)試結(jié)果Fig.7 The Results of Solenoid Valve Polarity Test

圖8 電磁閥極性測(cè)試時(shí)序Fig.8 The Sequence of Solenoid Valve Polarity Test

a）動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥極性測(cè)試。

圖7、圖8分別顯示的是動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥極性測(cè)試結(jié)果和時(shí)序測(cè)試結(jié)果。根據(jù)火箭飛行時(shí)序及實(shí)際測(cè)試結(jié)果，可自動(dòng)完成電磁閥極性測(cè)試結(jié)果分析及判讀報(bào)告。

b）電磁閥磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試曲線。

圖9、圖10分別為動(dòng)力系統(tǒng)電氣閥和電液閥的磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試曲線。由圖9、圖10可知，系統(tǒng)選擇的傳感器滿足動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥的測(cè)試要求，能夠準(zhǔn)確采集電磁閥的動(dòng)作狀態(tài)。

圖9 電氣閥磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試曲線Fig.9 Electromagnetic Intensity Curve of Solenoid Valve

圖10 電液閥磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試曲線Fig.10 Electromagnetic Intensity Curve of Solenoid Valve

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)電磁閥極性測(cè)試系統(tǒng)，將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微弱磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)、快速監(jiān)視判讀技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，減化了測(cè)試設(shè)備規(guī)模、提高了設(shè)備靈活性及測(cè)試效率，增加了火箭動(dòng)力系統(tǒng)的測(cè)試手段，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性及推廣價(jià)值。