姜宇鵬 劉中偉 劉敏時(shí) 郭曉華 姜連祥

(1 山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264670)(2 山東工商學(xué)院，山東煙臺(tái) 264005)

近年來(lái)，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器的飛行速度及設(shè)計(jì)成本均大幅提高。為了幫助航天器設(shè)計(jì)人員綜合評(píng)價(jià)航天器設(shè)計(jì)及制造性能，通常需要在航天器內(nèi)部設(shè)計(jì)參數(shù)采集及自主健康管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集航天器在發(fā)射及飛行過(guò)程中的工程參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)一系列自主控制算法提高在軌自主運(yùn)行效率，為航天器的健康狀態(tài)、故障模式判別及產(chǎn)品升級(jí)改造等提供科學(xué)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐[1-2]。高性能航天器既需要健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集通道數(shù)量多、采集精度高，又對(duì)其質(zhì)量和體積提出更加嚴(yán)苛的要求。

航天器長(zhǎng)期工作于惡劣的太空環(huán)境，面臨著空間輻照、空間碎片撞擊、氣動(dòng)加熱等，未來(lái)可能還會(huì)在地面與太空之間多次往返，其中應(yīng)力交變、溫度交變及高頻振動(dòng)等健康數(shù)據(jù)反映著航天器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的疲勞、裂紋和屈曲程度，表面溫度、表面熱流、結(jié)構(gòu)應(yīng)變及振動(dòng)參數(shù)可通過(guò)航天器遙測(cè)下傳，方便地面對(duì)航天器服役期間的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析[3]。對(duì)于長(zhǎng)線距離電阻量信號(hào)，文獻(xiàn)[4]中采用三線制方法采集熱敏電阻，并補(bǔ)償了接觸電阻及放大器漏電流的影響。文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)惠斯通電橋加兩級(jí)放大電路，與理論值線性擬合度為7.8‰。文獻(xiàn)[6]中將獲取的壓力傳感器陣列參數(shù)代入嵌入式飛行數(shù)據(jù)傳感(FADS)系統(tǒng)，無(wú)需依賴空氣動(dòng)力學(xué)模型就可以建立起輸入與輸出的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]中設(shè)計(jì)的飛行參數(shù)采集系統(tǒng)模擬量為71路，配合防毀記錄器存儲(chǔ)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)。這些傳統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)方法是配置多架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[8]，存在因采集通路集成度不高造成體積、質(zhì)量資源占比大的問(wèn)題，因此工程應(yīng)用中需要集成度、可靠度、精度更高的力、熱信號(hào)工程參數(shù)測(cè)量設(shè)備。

本文采用多通道模塊化的設(shè)計(jì)思想，重新將航天器艙體各類健康數(shù)據(jù)信號(hào)整合為應(yīng)變信號(hào)、微弱電壓信號(hào)及高頻振動(dòng)信號(hào)，并設(shè)計(jì)控制管理模塊完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，在有效減小系統(tǒng)體積、質(zhì)量的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)92路高通量航天器健康傳感器的同步高精度采集，在工程應(yīng)用中能夠占用最小資源對(duì)航天器艙體的力、熱參數(shù)完成實(shí)時(shí)采集下傳，可為航天器優(yōu)化迭代設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

1 艙體健康數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

目前，航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在輕量化與高強(qiáng)度矛盾，尤其是在發(fā)射上升段和長(zhǎng)期在軌階段航天器合金狀態(tài)、力熱參數(shù)的實(shí)時(shí)記錄，各類傳感器需要遍布艙體各處并同步采集?？紤]到質(zhì)量、體積的資源占比情況，采集精度越高、采集通道越多，其工程應(yīng)用價(jià)值也越高，因此需要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)能夠適應(yīng)不同傳感器的多通道分布式健康數(shù)據(jù)采集方案，如圖1所示。

注：LVDS為低壓差分信號(hào)。圖1 健康數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)Fig.1 Scheme design of health data acquisition

常用的健康監(jiān)測(cè)傳感器包括結(jié)構(gòu)應(yīng)變片、溫度熱流傳感器及振動(dòng)頻率傳感器。其中：主要采集艙體結(jié)構(gòu)應(yīng)變幅度的電阻式應(yīng)變片信號(hào)變化范圍為[345 Ω,355 Ω]；表征艙體各點(diǎn)溫度、表面熱流及表面溫度的電壓式傳感器變化范圍為[-25 mV,+75 mV]；環(huán)境震顫引起的艙體結(jié)構(gòu)振動(dòng)量由振動(dòng)傳感器輸出并且進(jìn)行高頻采集。健康數(shù)據(jù)采集方案通過(guò)將原結(jié)構(gòu)應(yīng)變、溫度及振動(dòng)信號(hào)分別采集的獨(dú)立單機(jī)進(jìn)行集成整合，完成對(duì)上述3類傳感器輸入信號(hào)的調(diào)理放大、去噪聲及濾波，并由控制管理模塊統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)流采集及信息傳輸。

1.1 電阻信號(hào)調(diào)理模塊

電阻式應(yīng)變片是一種能將所受到的應(yīng)變力轉(zhuǎn)化為電阻值變化的精密傳感元件，一般由Φ=0.02～0.05 mm康銅絲或者鎳鉻絲燒結(jié)成的敏感柵構(gòu)成。在精密的工程測(cè)量中，由于應(yīng)變片處于艙體各處，過(guò)長(zhǎng)的導(dǎo)線會(huì)引入較大的導(dǎo)線線阻誤差[9]，因此本文采用四線制的接線法消除電路中的導(dǎo)線電阻、漏電阻等誤差電阻。外部?jī)筛€提供電流，內(nèi)部測(cè)量引線接高輸入阻抗運(yùn)放，測(cè)量電路回路電流約為0，這種四線制采集測(cè)量方式能夠有效避免因不同線長(zhǎng)引起的長(zhǎng)線誤差阻抗Rlead，有效提高電阻信號(hào)采集精度。圖2為四線制電阻采集原理，圖中i為恒流源，恒定電流流經(jīng)被測(cè)電阻，將電阻的變化量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)等長(zhǎng)的導(dǎo)線回路測(cè)量被測(cè)電阻兩端信號(hào)電壓V，由于長(zhǎng)線誤差阻抗Rlead相等，可以完全消除引線電阻的影響。

圖2 四線制電阻采集原理Fig.2 Schematic of four-line resistance acquisition

為了提高電阻信號(hào)的采集性能指標(biāo)，使測(cè)量的微弱信號(hào)能夠更加真實(shí)地反映被測(cè)參數(shù)的大小及其變化規(guī)律，電阻信號(hào)調(diào)理模塊采用差動(dòng)電橋技術(shù)提高信噪比。差動(dòng)技術(shù)對(duì)電路零漂有著明顯的抑制；電橋電路能實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量，利用其對(duì)稱性特點(diǎn)可以找到電位相同的點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)電路平衡。差動(dòng)電路與電橋電路共同具有對(duì)稱性的特點(diǎn)，因此將兩種電路相結(jié)合，使測(cè)量結(jié)果更加精準(zhǔn)、穩(wěn)定。差動(dòng)放大電橋原理如圖3所示。

圖3 差動(dòng)電橋原理Fig.3 Schematic of differential bridge

平衡電橋的兩輸出端電壓信號(hào)U+和U-分別與差動(dòng)運(yùn)算放大器正相端、反相端相連，精密電阻R1，R3，R4和被測(cè)電阻Rx的電阻值相等(均為R)，構(gòu)成電橋左右橋臂，其中，經(jīng)過(guò)差動(dòng)電橋調(diào)理輸出信號(hào)電壓為

(1)

式中：ΔR為被測(cè)電阻受到外界應(yīng)力變化后電阻值的變化量；I為恒流源提供的恒定電流；G為放大倍數(shù)。

因?yàn)殡娮栊盘?hào)變化量±5 Ω相對(duì)于橋臂電阻R非常小，則式(1)可近似為

(2)

因?yàn)槎嗦窇?yīng)變片初始值存在差異，各通道的兩橋臂壓差ΔU不同導(dǎo)致采集初值偏差較大。采用閉環(huán)控制調(diào)零方法，采用比例-積分-微分(PID)控制算法快速調(diào)整多路數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出值，將模擬量采集的碼值調(diào)整至ΔR為零點(diǎn)，信號(hào)經(jīng)過(guò)多級(jí)放大后變化范圍與模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入范圍一致。圖4為電橋調(diào)零原理。

圖4 電橋調(diào)零原理Fig.4 Schematic of bridge zero-fitting

1.2 微弱電壓信號(hào)調(diào)理模塊

在航天器飛行過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)艙體表面溫度、熱流密度、艙內(nèi)溫度，通過(guò)分布艙體各處的熱電偶塞、熱流傳感器及艙壓傳感器測(cè)量50路溫度變化信息，微弱電壓信號(hào)幅度統(tǒng)一設(shè)計(jì)為-25～+75 mV，可包絡(luò)所有弱電壓的采樣需求，提高模塊化集成度。信號(hào)經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大、開(kāi)關(guān)選通及幅值調(diào)理后，進(jìn)行模擬量采集。多通道微弱電壓信號(hào)調(diào)理模塊見(jiàn)圖5。

圖5 弱電壓信號(hào)調(diào)理模塊Fig.5 Weak voltage signal conditioning module

為提高信噪比，使測(cè)量結(jié)果能更加真實(shí)地反映被測(cè)溫度信號(hào)的大小及其變化規(guī)律，利用高輸入阻抗放大器構(gòu)成差動(dòng)放大電路，以有效地抑制共模噪聲[10]。由于溫度信號(hào)微弱，電壓信號(hào)需要采用性能優(yōu)異的運(yùn)算放大器進(jìn)行百倍放大，從而精確地反映艙體溫度變化細(xì)節(jié)信息；而且，為了避免多通道并行設(shè)計(jì)相互串?dāng)_，采用差分放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱電壓量的采集，以有效抑制噪聲。差分電壓采集見(jiàn)圖6。

圖6 差分電壓采集示意Fig.6 Schematic of differential voltage acquisition

由于溫度信號(hào)通道數(shù)量多，信號(hào)選通架構(gòu)采用兩級(jí)選通，通過(guò)不同地址驅(qū)動(dòng)切換采樣通道，這樣既能滿足局部劇變溫度信號(hào)的采樣要求，又可根據(jù)不同需求對(duì)重點(diǎn)艙體部位高頻次重復(fù)采樣。

1.3 振動(dòng)信號(hào)模塊

環(huán)境振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)艙體形變量信息，壓電集成電路(ICP)傳感器具有體積小、質(zhì)量小、靈敏度高及頻響范圍大等特點(diǎn)，在工程參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，不可避免地會(huì)有低頻、高頻干擾信號(hào)混疊在有用信號(hào)當(dāng)中，為了避免高速信號(hào)動(dòng)態(tài)采集的干擾，設(shè)計(jì)六階巴特沃斯有源濾波器組成帶通濾波電路，以提高信噪比。采用二階巴特沃斯濾波器組成高通濾波器，設(shè)計(jì)下限截止頻率為5 Hz±1 Hz；采用四階巴特沃斯濾波器組成低通濾波器，設(shè)計(jì)上限截止頻率為3 kHz±100 Hz；為了實(shí)現(xiàn)通帶內(nèi)頻響曲線最大限度的平坦，工程實(shí)踐中將各階電阻值設(shè)置為調(diào)試，且電容選取一類瓷介電容，以減小溫度變化對(duì)通帶門(mén)限的影響。仿真得到高通濾波器及低通濾波器的波形如圖7所示。

圖7 巴特沃斯濾波器仿真結(jié)果Fig.7 Butterworth filter simulation results

1.4 控制管理模塊

控制管理模塊(見(jiàn)圖8)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)發(fā)、遙控遙測(cè)、狀態(tài)自檢等功能?？刂乒芾砟K采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)與FPGA為核心的系統(tǒng)架構(gòu)，其中，F(xiàn)PGA配置16位AD采集芯片及多級(jí)選通開(kāi)關(guān)對(duì)92路模擬信號(hào)分時(shí)、分頻采集，并將采集得到的數(shù)據(jù)緩存、組幀通過(guò)LVDS接口發(fā)送至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，同時(shí)增加RS422總線作為備份數(shù)據(jù)發(fā)送通道，以增加系統(tǒng)可靠性。

圖8 控制管理模塊原理框圖Fig.8 Schematic of control management module

控制管理模塊與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通過(guò)高可靠1553B總線收發(fā)遙控遙測(cè)指令；DSP工作主頻為100 MHz[11]，通過(guò)內(nèi)總線從Flash程序存儲(chǔ)器加載程序指令，同時(shí)內(nèi)部集成抗輻照的非易失性存儲(chǔ)器(MRAM)用于存儲(chǔ)部分重要航天器艙體健康數(shù)據(jù)，作為延時(shí)遙測(cè)過(guò)境下傳?？刂乒芾砟K可實(shí)時(shí)通過(guò)1553B總線接收航天器上的通道配置指令，在航天器入軌、再入等任務(wù)關(guān)鍵階段對(duì)頭部等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行表面熱流及結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況的高頻次輪詢采集，入軌穩(wěn)定后對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變、溫度等健康信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以提高航天器健康狀態(tài)自主管理能力。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

通過(guò)本文方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了某衛(wèi)星的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖9所示。系統(tǒng)采用鎖緊插件式緊湊結(jié)構(gòu)，以減小體積和質(zhì)量。以精密電阻、干電池分壓及標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)輸入源，分別對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度進(jìn)行測(cè)試。

圖9 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單機(jī)Fig.9 Data acquisition system equipment

2.1 電阻量信號(hào)采集

電阻信號(hào)調(diào)零采用350 Ω精密電阻作為調(diào)零參考基準(zhǔn)，電阻值精度為±0.1%，所有通道調(diào)零后連續(xù)采集電阻值誤差范圍最大為0.01 Ω。隨機(jī)選取單通道測(cè)試電阻值采集結(jié)果，對(duì)345～355 Ω范圍進(jìn)行采集，采集數(shù)值與精密電阻比對(duì)，采集結(jié)果及線性擬合如圖10(a)所示，單通道采集電阻值誤差在[-0.05 Ω,+0.05 Ω]；選取347 Ω精密電阻作為所有通道采集樣本，采集結(jié)果及線性擬合如圖10(b)所示，所有通道采集電阻值誤差均在[0.03 Ω,0.07 Ω]。

圖10 電阻通道精度與一致性結(jié)果Fig.10 Precision and consistency results of resistance channel

通過(guò)以上模擬應(yīng)變電阻量信號(hào)的采集結(jié)果可以看出：所有采集通道的一致性非常高；宇航常用導(dǎo)線的電阻率一般為100～250 mΩ/m，相較于傳統(tǒng)單端模擬信號(hào)1%的采集精度，采用四線制及差動(dòng)電橋方法，單通道采集精度大幅提高，達(dá)到5‰，多通道間差異率低于2‰。

2.2 微弱電壓信號(hào)采集

隨機(jī)選取單通道測(cè)試微弱電壓量采集結(jié)果，對(duì)-25～+75 mV范圍進(jìn)行采集，采集數(shù)值與六位半量程萬(wàn)用表采集結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，采集結(jié)果及線性擬合如圖11(a)所示，單通道采集電壓值誤差在[-0.2 mV,+0.2 mV]。以-10 mV作為所有通道采集樣本，采集結(jié)果及線性擬合如圖11(b)所示，所有通道采集誤差均在[-0.2 mV,+0.2 mV]。

通過(guò)以上微弱電壓信號(hào)采集結(jié)果可以看出：所有采集通道的一致性非常高；采用差分放大技術(shù)能夠有效抑制經(jīng)過(guò)百倍放大后的共模噪聲，毫伏級(jí)弱電壓采集精度大幅提高，達(dá)到2‰；在多通道同時(shí)采集情況下，增加多種防串?dāng)_屏蔽措施，通道間差異率降至與單通道采集精度相同的量級(jí)。

2.3 頻率信號(hào)采集

采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器輸出10 V正弦信號(hào)模擬頻率傳感器輸出信號(hào)，調(diào)節(jié)輸出頻率覆蓋1 Hz～8 kHz，采集結(jié)果如圖12所示。二階高通濾波器的3 dB截止頻率為5.2 Hz，四階低通濾波器的3 dB截止頻率為2997 kHz，實(shí)測(cè)結(jié)果表明：該帶通濾波器與仿真結(jié)果一致，多通道間能有效濾除高頻及低頻的雜波干擾信號(hào)。

圖12 帶通濾波器實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.12 Actual results of band-pass filter

健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)果表明：相較于傳統(tǒng)采集設(shè)備，健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集精度提高1個(gè)量級(jí)，近百路的采集通道能夠適應(yīng)大多數(shù)航天器的力、熱健康監(jiān)測(cè)傳感器，通用性強(qiáng)，可靠程度高，設(shè)備具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及下傳的功能，能夠協(xié)助航天器實(shí)時(shí)掌握整器健康狀態(tài)并啟動(dòng)安全管理策略，顯著提升航天器自主健康管理水平。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用四線制采集、差動(dòng)電橋等技術(shù)設(shè)計(jì)了多通道分布式弱信號(hào)健康數(shù)據(jù)采集方案，并實(shí)現(xiàn)了多通道下的高精度健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)的應(yīng)變壓力、溫度、熱流、振動(dòng)等微弱電壓信號(hào)采集精度高，振動(dòng)信號(hào)濾波效果與仿真設(shè)計(jì)值一致，在最小的資源占比下能實(shí)現(xiàn)92路多通道航天器艙體健康數(shù)據(jù)的高精度同步采集，可用于航天器實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估，為航天器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)分析依據(jù)。