孫日明，文 帥，劉修廷，沙心國，陳 星

( 中國航天空氣動力技術(shù)研究院，北京 100074)

0 引言

眾所周知，模型飛行試驗與風(fēng)洞試驗、數(shù)值模擬是空氣動力學(xué)研究的三大手段，國際學(xué)術(shù)與工程界的普遍做法就是三大手段相結(jié)合[1]。模型飛行試驗的試驗條件為真實飛行環(huán)境，對于高超聲速基礎(chǔ)科學(xué)問題研究、驗證和改進(jìn)地面試驗方法與計算方法以及天地相關(guān)性研究等方面不可或缺[2]。近年來，模型飛行試驗在國內(nèi)外持續(xù)開展，如美國與澳大利亞合作的HIFiRE計劃[3]，國內(nèi)中國空氣動力研究與發(fā)展中心的MF-1飛行試驗[2，4-5]等。

模型飛行試驗的數(shù)據(jù)獲取方法可分為無線遙測與回收遙測兩種。無線遙測因其較強(qiáng)的實時性、較寬的適用范圍等優(yōu)點在航天飛行試驗應(yīng)用最為廣泛，然而其缺點也很明顯：在無線遙測“黑障區(qū)”，遙測數(shù)據(jù)無法進(jìn)行通信；信道容量有限，大于5 Mbit/s的速變參數(shù)無法傳輸[6]?；厥者b測將數(shù)據(jù)采集存儲設(shè)備安裝于模型內(nèi)部，試驗結(jié)束后通過回收存儲器的方式實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)參數(shù)的回收處理[7]。由于數(shù)據(jù)的傳輸與外界環(huán)境無關(guān)，不存在黑障問題；同時由于總線帶寬足夠，可以實現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)地記錄所有測量參數(shù)。在模型飛行試驗中，常采用兩種數(shù)據(jù)獲取方法相結(jié)合的方式。

模型飛行試驗的首要任務(wù)便是完整可靠地獲取飛行過程中的所有數(shù)據(jù)，因此作為回收遙測的核心設(shè)備，采集存儲系統(tǒng)的性能格外重要。20世紀(jì)70年代末航天領(lǐng)域首次應(yīng)用固態(tài)記錄器作為數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的載體，近年來，該領(lǐng)域進(jìn)入快速發(fā)展軌道[8]。國外以美國、歐洲的商業(yè)公司為代表，如CALCULEX公司專門從事飛行試驗數(shù)據(jù)存儲器研發(fā)和生產(chǎn)，數(shù)據(jù)存儲速率高、存儲容量大，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)40 MB/s。國內(nèi)方面，中國科學(xué)院、中國航天科技集團(tuán)702所、中北大學(xué)等科研院所研制的各類型固態(tài)存儲裝置已成功應(yīng)用于神州系列飛船、嫦娥衛(wèi)星等重大項目中[9]。

綜合國內(nèi)外現(xiàn)狀，從科研牽引到商業(yè)應(yīng)用，雖然產(chǎn)品眾多，但仍然缺少專門針對模型飛行試驗的數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)?，F(xiàn)有模式基本都是先確定模型飛行試驗所需使用傳感器及配套單機(jī)的種類、數(shù)目，再進(jìn)行定制化開發(fā)，響應(yīng)周期從半年到一年不等，不能滿足模型飛行試驗快速響應(yīng)的需求。由于氣動測試的獨特性，各類傳感器還需搭配體積不等的信號變換器以實現(xiàn)信號匹配及采集，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，也使得在模型空間有限的條件下不能更多地進(jìn)行測點布置，降低了單次試驗獲取有效數(shù)據(jù)的種類和數(shù)目。模型飛行試驗的測試與風(fēng)洞試驗測試類型類似，需要大量壓力、熱流、溫度等傳感器以及壓力掃描閥、FADS等專用設(shè)備，有其獨特性，現(xiàn)有設(shè)備難以很好滿足。因此開發(fā)一款針對模型飛行試驗的數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)，針對專用傳感器進(jìn)行定制化測量、存儲，對于提高測試精度、提高系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，各模塊之間采用板間連接器總線方式連接，便于模塊維修和更換。系統(tǒng)構(gòu)架示意圖如圖1所示。飛行試驗用模塊化采集器由多層板卡堆疊而成，其外形尺寸一致，方便擴(kuò)展。

圖1 采集存儲系統(tǒng)架構(gòu)圖

以某次模型飛行試驗配置為例，該系統(tǒng)由電源模塊、主控模塊、熱流采集板卡(兩塊)、熱電偶采集模塊、壓力采集模塊、應(yīng)變采集板卡、存儲模塊組成。

電源模塊負(fù)責(zé)為整個采集設(shè)備進(jìn)行供電，它會將彈載的總電壓進(jìn)行調(diào)理、轉(zhuǎn)換，從而為其他模塊提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的供電電源。同時該模塊還將完成對于零點觸發(fā)信號的采集調(diào)理，并且?guī)в?路RS422，可完成各類422信號的數(shù)據(jù)交互。主控模塊則用于控制采集模塊的采集、傳輸，并將信號數(shù)據(jù)整合、編碼后通過LVDS發(fā)送給雙備份的存儲模塊。除此之外，主控模塊還負(fù)責(zé)完成與上位機(jī)的通信，通信方式包括LAN傳輸與RS422傳輸。采集模塊用于調(diào)理、放大、采集各傳感器信號，并為傳感器提供如恒流源、電壓供電等功能，同時，采集模塊內(nèi)帶有PT100，可以完成對板內(nèi)溫度的實時測量。存儲模塊用于數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)通過主控板的LVDS接口傳輸至存儲板后，會存至SD卡內(nèi)，回讀方式可選擇通過LVDS接口回傳，也可通過USB接口來實現(xiàn)?？紤]到設(shè)備落地沖擊，存儲模塊設(shè)計獨立防護(hù)并進(jìn)行灌封。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源模塊設(shè)計

如圖2所示，電源模塊主要負(fù)責(zé)完成電源管理、RS422傳輸、外觸發(fā)功能。RS422電路采用了隔離設(shè)計，輸入端與輸出端分別使用不同的電源和地，輸入端的電源來自于主控板轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的3.3 V電壓及數(shù)字地，而輸出端的電源則是422芯片產(chǎn)生的隔離電壓及信號地。

該模塊最關(guān)鍵的作用是完成彈載電源的濾波、轉(zhuǎn)換、隔離，從而為整個采集系統(tǒng)提供穩(wěn)定、安全的電源。模塊接收到來自彈上的28 V電源后，會首先經(jīng)過EMI濾波電路，其目的是要抑制系統(tǒng)電源內(nèi)的高頻干擾，經(jīng)濾波后的28 V電源將通過板級連接器J80為采集模塊進(jìn)行供電，與此同時，該電壓還會經(jīng)過隔離電源器件，轉(zhuǎn)換產(chǎn)生+5 V電壓，該電壓將作為主控模塊的供電電壓。整個系統(tǒng)所接收的時統(tǒng)信號，也是通過該模塊來完成觸發(fā)及防抖的。

2.2 主控模塊設(shè)計

如圖3所示，主控模塊負(fù)責(zé)完成采集模塊的AD數(shù)據(jù)、電源模塊RS422數(shù)據(jù)(遙測、飛行姿態(tài)數(shù)據(jù))和觸發(fā)信號整理、打包、解析、發(fā)送到存儲等操作，是整個采集設(shè)備的核心控制單元。該模塊具有1路RS422隔離通道、2路LVDS存儲接口，以及1路LAN接口，用于完成與上位機(jī)、存儲模塊的通信。

彈載供電系統(tǒng)提供的+28 V經(jīng)過電源模塊內(nèi)的EMI濾波器濾波、電源轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生+5 V電壓，該電壓經(jīng)過J80板級連接器為主控模塊進(jìn)行供電。主控模塊則會在板內(nèi)對供電電壓進(jìn)行調(diào)理轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生主芯片F(xiàn)PGA及外圍控制芯片的各類供電電壓。

2.3 溫度采集模塊設(shè)計

溫度采集模塊用于熱電偶型溫度傳感器和同軸熱電偶熱流傳感器的信號獲取，由于模型飛行試驗中均采用E型熱電偶，故而采用相同的設(shè)計架構(gòu)。對于信號范圍不同導(dǎo)致采集電壓范圍不同的情況，只需調(diào)整增益放大電阻及引出外供電電壓即可完成硬件調(diào)整，后續(xù)對于不同功能的實現(xiàn)，完全借助于軟件程序的編寫。

如圖4所示，該模塊具有40個采集通道，每通道最高采樣率為100 kHz。外部傳感器模擬信號經(jīng)連接器J14H進(jìn)入采集系統(tǒng)后，經(jīng)板卡前端調(diào)理放大，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字信號經(jīng)過隔離器件后，又通過板間總線連接器J80進(jìn)入主控板，完成數(shù)據(jù)采集存儲等后續(xù)操作。為了實現(xiàn)冷端補(bǔ)償功能，在該類模塊設(shè)計中加入了兩路PT100測量電路。

2.4 壓力采集模塊設(shè)計

壓力采集模塊用于動態(tài)壓力傳感器、靜態(tài)壓力傳感器以及應(yīng)變傳感器等基于惠斯通電橋工作方式的傳感器信號采集。對于不同類型信號采集的實現(xiàn)，只需調(diào)整增益放大電阻、GPIO分配電阻及引出外供電電壓即可完成硬件調(diào)整，后續(xù)對于不同功能的實現(xiàn)，完全借助于軟件程序的編寫。

如圖5所示，該模塊具有16個采集通道，每通道最高采樣率為200 kHz，支持+2 V或+10 V外供電功能。外部傳感器模擬信號經(jīng)連接器J14H進(jìn)入采集系統(tǒng)后，經(jīng)板卡前端調(diào)理放大，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字信號經(jīng)過隔離器件后，又通過板間總線連接器J80進(jìn)入主控板，完成數(shù)據(jù)采集存儲等后續(xù)操作。

圖5 壓力采集模塊設(shè)計框圖

2.5 存儲模塊設(shè)計

如圖6所示存儲模塊采用ARM處理器作為主控單元，與采集器通過LVDS接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)最大傳輸速度為25 MB/s，F(xiàn)LASH用于記錄程序指令，SD卡用于存儲數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計有2個獨立防護(hù)的存儲模塊，實現(xiàn)雙備份。地面測試模式下使用主控模塊的LAN接口及RS422接口獲取存儲數(shù)據(jù)。試驗結(jié)束后使用存儲模塊上的備用讀數(shù)接口回收數(shù)據(jù)，備用讀數(shù)接口采用LAN接口進(jìn)行傳輸。存儲模塊帶有EXT4文件系統(tǒng)，確保寫入數(shù)據(jù)的正確和完整性，防止寫入過程中掉電對數(shù)據(jù)造成的損壞和丟失。

圖6 存儲模塊設(shè)計框圖

為了保障存儲模塊能夠耐受落地瞬間強(qiáng)大的加速度沖擊，在電路設(shè)計完成后需對其進(jìn)行嚴(yán)格的防護(hù)：電路板灌膠封裝后形成內(nèi)膽后裝入特殊設(shè)計的抗沖擊外殼，內(nèi)膽與外殼之間加入緩沖氈墊。

3 軟件設(shè)計

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計

如圖7所示，PC端操作功能包括參數(shù)設(shè)置、啟動采集、狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)解析構(gòu)成。在數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)的測試階段和裝機(jī)聯(lián)調(diào)階段可以通過該系列命令實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)的功能控制、數(shù)據(jù)流控制以及分析。

圖7 上位機(jī)軟件功能框圖

3.2 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

如圖8所示，采集器上電后首先讀取FLASH中是否有進(jìn)入記錄指令，如果有則進(jìn)入記錄狀態(tài)，所有采集信息將向存儲器中寫入，并由此開始不間斷記錄，直到上位機(jī)發(fā)送解除寫入狀態(tài)為止。否則進(jìn)入自檢，自檢完畢后等待上位機(jī)指令，同時向遙測系統(tǒng)發(fā)送選編的信息。在接收到上位機(jī)發(fā)送的各項指令后，進(jìn)入相應(yīng)指令執(zhí)行流程。軟件設(shè)計了時統(tǒng)記錄通道，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理時進(jìn)行對標(biāo)分析。時統(tǒng)信號以飛控系統(tǒng)發(fā)送為準(zhǔn)，為了增加時統(tǒng)信號的可靠性，同時檢測數(shù)字指令和模擬指令。為了有效區(qū)分測試數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)，對發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行幀計數(shù)區(qū)分。只有接收到時統(tǒng)信號后，數(shù)據(jù)幀計數(shù)才自動增加，否則全部置零。

3.3 存儲器軟件設(shè)計

存儲器軟件運行于存儲器主控ARM芯片上，采用linux操作系統(tǒng)，且?guī)в蠩XT4文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)在寫入數(shù)據(jù)的同時會記錄日志，并且日志本身具有自校驗功能，確保寫入數(shù)據(jù)的正確和完整性，防止寫入過程中掉電對數(shù)據(jù)造成的損壞和丟失。數(shù)據(jù)存儲器的邏輯設(shè)計對于試驗任務(wù)完成更為關(guān)鍵，模型飛行試驗過程中的所有數(shù)據(jù)均由其進(jìn)行保存，不能出現(xiàn)誤擦除、覆蓋、掉電重新上電后應(yīng)能自動恢復(fù)記錄。

圖8 數(shù)據(jù)采集軟件功能框圖

如圖9所示設(shè)計了有限狀態(tài)機(jī)的工作模式：當(dāng)系統(tǒng)上電后進(jìn)行自檢，自檢完成后進(jìn)入數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)備狀態(tài)，此時可響應(yīng)數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)回放、格式化、存儲數(shù)據(jù)等指令。當(dāng)接收到回放全部數(shù)據(jù)指令后，將存儲器中的所有文件按照約定的傳輸協(xié)議向上位機(jī)傳輸；當(dāng)收到回放當(dāng)前數(shù)據(jù)指令后，將最新一次存儲的數(shù)據(jù)文件向上位機(jī)傳輸；當(dāng)接收到格式化存儲卡指令后，需兩層密碼驗證操作，驗證正確后才可進(jìn)行數(shù)據(jù)格式化，這樣可杜絕由于信號跳變引起的誤操作；當(dāng)接收到開始存儲指令后，進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲模式，此時將采集器打包發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次打包按照EXT4格式文件存儲，此過程可由上位機(jī)發(fā)送停止存儲打斷。存儲主控當(dāng)接收到數(shù)據(jù)采集器的進(jìn)入記錄狀態(tài)并鎖定后，則不再響應(yīng)上述任何指令操作，僅進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，且系統(tǒng)掉電重啟后仍按照設(shè)定方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，防止試驗過程中因電壓波動導(dǎo)致的數(shù)據(jù)存儲異常。只有系統(tǒng)掉電重啟且接收解除記錄指令后，才可接收其他指令，進(jìn)行正常操作。

圖9 存儲器軟件功能框圖

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 靜態(tài)測試

設(shè)備開發(fā)完成后，按照《JJF 1048數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》分別對溫度采集模塊和壓力采集模塊進(jìn)行了嚴(yán)格的靜態(tài)校準(zhǔn)測試。如表1所示，溫度采集模塊量程為±50 mV，精度為0.2%F.S.；壓力采集模塊橋路供電電壓5 V，精度為0.1%，采集量程為±100 mV和±5 V兩種板卡，精度為0.2%F.S.。

表1 靜態(tài)精度測試結(jié)果

4.2 環(huán)境試驗

模型飛行試驗過程中，設(shè)備經(jīng)歷的環(huán)境條件十分苛刻，因而對研制的設(shè)備進(jìn)行了大量的環(huán)境試驗測試，主要項目如表2所示。

表2 環(huán)境試驗結(jié)果

通過除列表中所述試驗外，設(shè)備還進(jìn)行了低氣壓、電磁兼容等試驗，存儲器還進(jìn)行了高空跌落試驗。

4.3 系統(tǒng)功能測試

圖10所示為研制完成的模型飛行試驗專用采集器和存儲器在某次地面測試過程中的配置情況。采集器具備溫度、熱流、壓力等數(shù)十通道模擬量采集和6路RS422數(shù)字信號采集功能；存儲器兩個獨立存儲單元各為32 GB空間，能夠在該采集配置條件下連續(xù)記錄30 min以上。

圖10 飛行試驗系統(tǒng)架構(gòu)圖

地面功能聯(lián)調(diào)主要包含以下步驟：設(shè)備上電自檢，通過地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)對測試系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控；對傳感器施加模擬激勵，觀察采集數(shù)據(jù)變化是否正常；發(fā)送數(shù)據(jù)存儲指令，通過上位機(jī)查看存儲設(shè)備工作情況；發(fā)送數(shù)據(jù)回讀指令，查看數(shù)據(jù)回傳結(jié)果是否正常；開啟進(jìn)入存儲指令，等待飛控機(jī)模擬點火指令，并進(jìn)行記錄；試驗結(jié)束后數(shù)據(jù)回讀測試，系統(tǒng)斷電重啟并將存儲器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回讀，與飛控機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證是否存在誤碼和丟幀。

經(jīng)多次地面模擬調(diào)試，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確完成數(shù)據(jù)采集存儲功能，數(shù)據(jù)回放結(jié)果顯示所有數(shù)據(jù)完整記錄，沒有丟幀和誤碼。

4.4 飛行試驗測試

該系統(tǒng)研制完成后，分別于2018年在某靶場進(jìn)行了兩次模型飛行試驗任務(wù)，采用火箭助推的方式實現(xiàn)所需試驗窗口。試驗?zāi)Ｐ桶惭b于火箭頭部，采集系統(tǒng)安裝于模型內(nèi)部。半年內(nèi)兩次試驗兩次成功，所有數(shù)據(jù)獲取完整有效。

圖11給出了某次飛行試驗采集的部分溫度數(shù)據(jù)共計4個測點，分別位于模型壁面和各設(shè)備艙，數(shù)據(jù)測試結(jié)果對于考核設(shè)備隔熱措施具有重要參考價值。

圖11 某模型飛行試驗數(shù)據(jù)采集結(jié)果

5 結(jié)論

采用模塊化設(shè)計思路研制完成了適用于模型飛行試驗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并于2018年在兩次氣動模型飛行試驗中實現(xiàn)成功應(yīng)用，驗證了該系統(tǒng)的可靠性和模塊化設(shè)計帶來的易擴(kuò)展、可維護(hù)和快速響應(yīng)能力。

該系統(tǒng)可針對不同試驗需求進(jìn)行快速擴(kuò)展，滿足小型化、低成本氣動模型飛行試驗的需求，后續(xù)可繼續(xù)進(jìn)行更多類型傳感器模塊研制，并可研究針對數(shù)百通道測點需求進(jìn)行級聯(lián)擴(kuò)展。