陳玉坤 梁 君 榮 剛 曾 發(fā) 李 愷

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

1 引 言

飛行器遙測系統(tǒng)的性能指標(biāo)對導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭的研制進(jìn)程及費(fèi)用具有直接影響，對飛行器性能的改進(jìn)和提高具有重要現(xiàn)實(shí)意義。隨著飛行器上各系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，對傳輸遙測參數(shù)的數(shù)量、種類、精度也提出了新要求[1]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是獲取飛行器工作狀態(tài)的重要手段，是遙測系統(tǒng)獲得信息的源頭，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性、靈活性和重構(gòu)性是十分重要的研究課題。

傳統(tǒng)的飛行器上遙測系統(tǒng)的采集設(shè)備和供電設(shè)備分離，各采集設(shè)備使用自身晶振時(shí)鐘采集和傳輸數(shù)據(jù)，承擔(dān)信息匯總的中心節(jié)點(diǎn)可靠性不高，出現(xiàn)故障會(huì)造成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)癱瘓[2]。為有效解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種具有冗余節(jié)點(diǎn)的高可靠器載遙測參數(shù)采集系統(tǒng)，通過狀態(tài)監(jiān)測和切權(quán)電路，可實(shí)現(xiàn)冗余節(jié)點(diǎn)之間的快速切換。該系統(tǒng)可避免多個(gè)采集通道之間的路際串?dāng)_影響，提高遙測參數(shù)的采集精度，環(huán)境適應(yīng)性大大提高，對于工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

2 系統(tǒng)總體方案及工作原理

2.1 系統(tǒng)方案

基于冗余主從節(jié)點(diǎn)架構(gòu)的飛行器遙測參數(shù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成包括中央處理器(主機(jī)、備機(jī)冗余)、采編單元、各種類型的傳感器，系統(tǒng)組成原理如圖1所示。傳感器通過敏感元件感知被測參量的變化，通過傳感器輸出電壓大小和被測參量的物理量建立某種對應(yīng)模型[3]；采編單元接收傳感器輸出的電壓信號(hào)，為了提高信號(hào)準(zhǔn)確度，依次進(jìn)行濾除雜波、信號(hào)放大、采樣、編碼等處理，最終將模擬量變換為數(shù)字量。中央處理器通過時(shí)序信號(hào)控制采編單元的工作，在預(yù)先設(shè)置的時(shí)序內(nèi)，采編單元向中央處理器輸出數(shù)據(jù)，中央處理器接收后，暫時(shí)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)緩存區(qū)，在下一個(gè)工作周期起始時(shí)，按照數(shù)據(jù)幀格式編排要求將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)輸出給具有調(diào)制和發(fā)射功能的設(shè)備，以無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。中央處理器由主機(jī)和備機(jī)組成，當(dāng)主機(jī)和備機(jī)狀態(tài)自檢都正常時(shí)，默認(rèn)為主機(jī)工作。

圖1 系統(tǒng)組成原理框圖Fig.1 Composition diagram of data collection system

2.2 工作原理

主從節(jié)點(diǎn)架構(gòu)的設(shè)備連接關(guān)系如圖2所示。設(shè)備1～設(shè)備n必須通過中心節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)才能完成信息交互。若該系統(tǒng)架構(gòu)上連接的設(shè)備有n個(gè)(包括1個(gè)中心節(jié)點(diǎn)、n-1個(gè)從節(jié)點(diǎn))，則需(n-1)條信息鏈路才能保證任意設(shè)備之間正常通信，主從節(jié)點(diǎn)架構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[4]。除中心節(jié)點(diǎn)之外的任一節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)之間的正常通信，但若中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)功能失靈，陷入癱瘓[5]。為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，中心節(jié)點(diǎn)通常采用冗余的工作模式。

圖2 主從節(jié)點(diǎn)架構(gòu)Fig.2 Master-slave redundant nodes architecture

在基于冗余主從節(jié)點(diǎn)架構(gòu)的飛行器遙測參數(shù)采集系統(tǒng)中，中央處理器作為中心節(jié)點(diǎn)，各采編單元必須通過中央處理器的轉(zhuǎn)發(fā)才能完成信息交互功能，某采編單元因?yàn)楣ぷ鳟惓３霈F(xiàn)故障，僅影響該臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，其它正常工作的采編單元仍能通信，可對異常設(shè)備實(shí)現(xiàn)故障隔離。在飛行器設(shè)計(jì)和研制階段，對遙測參數(shù)的測量需求會(huì)發(fā)生變化，由于傳感器和采編單元可作為獨(dú)立設(shè)備增加或者取消，只需對配套設(shè)備數(shù)量進(jìn)行重新配置，無需對系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)備功能組成進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和方便性。為了提高該系統(tǒng)的可靠性，中央處理器設(shè)計(jì)了主機(jī)、備機(jī)熱備份的工作模式，默認(rèn)狀態(tài)下主機(jī)的優(yōu)先權(quán)大于備機(jī)，當(dāng)主機(jī)工作異常，經(jīng)過雙機(jī)轉(zhuǎn)換和切權(quán)電路判決，快速將控制權(quán)由主機(jī)切換至備機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在一度故障模式下仍能正常工作。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 供電與信號(hào)采集模塊

供電與信號(hào)采集模塊為采編單元內(nèi)部模塊，完成自身設(shè)備供電、對傳感器供電與信號(hào)采集功能。供電與信號(hào)采集模塊包括兩個(gè)電源芯片，一個(gè)用于采編單元設(shè)備自身的供電，一個(gè)用于給外部傳感器供電。兩個(gè)電源芯片獨(dú)立工作、互不影響，即便外部某一傳感器出現(xiàn)致命性短路故障，只是影響傳感器供電部分，采編單元仍能正常工作。供電與信號(hào)采集模塊與傳感器的連接示意圖如圖3所示，供電與信號(hào)采集模塊與單個(gè)傳感器通過同一束電纜分支同時(shí)實(shí)現(xiàn)了供電和采集功能，無需對傳感器再額外配備供電設(shè)備，減少電纜網(wǎng)導(dǎo)線交叉，簡化了配套設(shè)備的種類。

圖3 供電與信號(hào)采集模塊連接示意圖Fig.3 Link diagram between power and signal acquisition module and sensors

用于外部傳感器供電的電源芯片采用成熟的DC/DC直流電源變換器，在(14～40)V范圍的輸入電壓下可正常工作，具備輸出+5V、±15V三種電壓的能力，可滿足絕大多數(shù)場合的使用。為了抑制傳導(dǎo)干擾，提高設(shè)備的電磁兼容能力，在供電電源和電源芯片之間插入濾波器。電源模塊原理框圖如圖4所示，經(jīng)過DC/DC直流電源變換器后，+28V輸入電壓轉(zhuǎn)換為+5V、±15V的輸出電壓，提供外部各傳感器使用。

圖4 電源模塊原理圖Fig.4 Principle of power module

3.2 隔離采集模塊

隔離采集模塊為采編單元內(nèi)部模塊，其組成包括多級放大器、光電耦合器、多路切換開關(guān)、A/D變換器，如圖5所示。需要采集的信號(hào)依次經(jīng)過第一級放大器進(jìn)行阻抗匹配、第二級放大器進(jìn)行電壓信號(hào)放大、光電耦合器進(jìn)行隔離、第三級放大器進(jìn)行阻抗匹配，在進(jìn)行完信號(hào)預(yù)處理之后[6]，確保信號(hào)進(jìn)入多路切換開關(guān)、A/D變換器時(shí)為低阻抗?fàn)顟B(tài)，避免在高碼率傳輸狀態(tài)時(shí)遙測參數(shù)的快速切換而導(dǎo)致的路際干擾，提高電路的采集精度。

圖5 隔離采集組成框圖Fig.5 Composition diagram of isolated acquisition

圖6給出了隔離采集電路的具體實(shí)現(xiàn)方式，通過四級集成運(yùn)算放大器組合、光電耦合器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的阻抗匹配和隔離采集。第一級放大電路由第一放大器231與電阻R1、R2共同組成，第二級放大電路由第二放大器232與電阻R3～R5、電容C2組成，第三級放大電路由第三放大器234與電阻R6、電容C3組成，第四級放大電路由第四放大器236與電阻R7組成。為了進(jìn)行信號(hào)的阻抗匹配，第一級放大電路的電阻R1，第四級放大電路的電阻R7使用0Ω短路線替代，運(yùn)算放大器可實(shí)現(xiàn)電壓跟隨器功能。電壓跟隨器具有輸入電阻高、輸出電阻低、輸出與輸入同相位的特性[7]，從而達(dá)到提高遙測參數(shù)采集精度的目的。

圖6 隔離采集電路圖Fig.6 Isolated acquisition circuit scheme

在某飛行器隔離采集的電路設(shè)計(jì)中，隔離采集信號(hào)的輸入范圍為(0～5)V，第一級、第四級放大器均作為電壓跟隨器使用，其電壓放大倍數(shù)為1。第二級放大器與光電耦合器輸入部分的光電二極管組成外部反饋電路，對通過發(fā)光二極管的信號(hào)起到調(diào)節(jié)作用，使發(fā)光二極管的光信號(hào)更加穩(wěn)定。當(dāng)光電耦合器輸出部分的光電二極管接收到光信號(hào)后，第三級放大器對接收到的信號(hào)進(jìn)行放大和調(diào)節(jié)。第一級、第二級、第三級、第四級放大器均使用ADI公司的AD8675ARZ。多級運(yùn)算放大器組合在一起，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的阻抗匹配和逐級放大。

3.3 非隔離采集模塊

圖7給出了非隔離采集電路的具體實(shí)現(xiàn)方式，由多路切換開關(guān)[8]、放大器、A/D集成電路構(gòu)成。多個(gè)無隔離采集要求的信號(hào)連接多路切換開關(guān)的信號(hào)輸入端，多路切換開關(guān)按照控制信號(hào)輸出指定波道的信號(hào)到運(yùn)算放大器的正向信號(hào)輸入端，運(yùn)算放大器信號(hào)輸出端與A/D集成電路的信號(hào)輸入端相連，輸出端信號(hào)同時(shí)通過電阻R31反饋到負(fù)向信號(hào)輸入端，A/D集成電路的信號(hào)輸入端通過電容C31接地實(shí)現(xiàn)濾除雜波，A/D集成電路的信號(hào)輸出端為8bit的并行數(shù)據(jù)，之后通過GM8164芯片完成并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，按照中央處理器的時(shí)序控制，在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)以串行方式實(shí)現(xiàn)與中央處理器的通信。

圖7 非隔離采集電路圖Fig.7 Non-isolated acquisition circuit scheme

非隔離采集電路的多路切換開關(guān)選用Analog Devices公司的成熟芯片，具體型號(hào)為ADG406，最大開關(guān)反應(yīng)時(shí)間不超過150ns，可以支持8Mbps碼率情況下對遙測參數(shù)的高頻率波道切換[9]。A/D集成電路采用Analog Devices公司的8bit高性能芯片AD7821，其最大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間為700ns。輸入模擬量經(jīng)過采樣和編碼，完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，最后通過數(shù)據(jù)總線完成數(shù)據(jù)讀取。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖8給出了數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)工作流程圖。中央處理器的主機(jī)和備機(jī)在上電后首先進(jìn)行各自自身狀態(tài)的檢查，如果雙機(jī)中的之一自檢結(jié)果未通過，則置出錯(cuò)標(biāo)志并再次進(jìn)行自檢，在三次內(nèi)自檢通過，則進(jìn)入工作狀態(tài)，若三次自檢都未通過，則將該機(jī)從系統(tǒng)中隔離，直接使用自檢通過的中央處理器；如果主機(jī)和備機(jī)均未通過自檢，則默認(rèn)使用主機(jī)工作，保證在最低限度下有一個(gè)當(dāng)班機(jī)工作；如果雙機(jī)均自檢通過，主機(jī)和備機(jī)通過不同的數(shù)據(jù)傳輸通道，各自將自身的狀態(tài)信息送雙機(jī)轉(zhuǎn)換和切權(quán)電路進(jìn)行判斷，從雙機(jī)中決策出當(dāng)權(quán)的中央處理器，在默認(rèn)狀態(tài)下主機(jī)的優(yōu)先權(quán)大于備機(jī)，在本工作周期內(nèi)，當(dāng)權(quán)的中央處理器向系統(tǒng)內(nèi)所有采編單元輸出自身的數(shù)據(jù)同步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，采編單元在數(shù)據(jù)同步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)作用下，各個(gè)采編單元在中央處理器分配的時(shí)間周期內(nèi)輸出采集與編碼后的數(shù)據(jù)。當(dāng)權(quán)的中央處理器接收所有采編單元的數(shù)據(jù)，按照預(yù)設(shè)的幀格式進(jìn)行編排和組幀。在發(fā)送本幀數(shù)據(jù)之前，再次對自身工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果狀態(tài)檢查異常，說明當(dāng)權(quán)中央處理器工作異常，丟棄本幀無效數(shù)據(jù)，同時(shí)跳轉(zhuǎn)至中央處理器的雙機(jī)自檢流程進(jìn)行判斷，以便確定下一周期的當(dāng)班機(jī)。如果狀態(tài)檢查正常，當(dāng)班中央處理器送出本周期內(nèi)組幀數(shù)據(jù)，之后轉(zhuǎn)入下一周期的時(shí)序控制和數(shù)據(jù)匯總，無需再次進(jìn)行中央處理器的自檢流程。

圖8 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)工作流程圖Fig.8 Flow diagram of data collection system in Single Circle

雙機(jī)轉(zhuǎn)換和切權(quán)電路采用“看門狗”機(jī)制的設(shè)計(jì)思路，其內(nèi)部采用定時(shí)監(jiān)控器配合相應(yīng)的控制邏輯電路實(shí)現(xiàn)。雙機(jī)轉(zhuǎn)換和切權(quán)電路內(nèi)有表征主機(jī)、備機(jī)各自工作狀態(tài)的觸發(fā)器，兩個(gè)觸發(fā)器相互獨(dú)立。雙機(jī)轉(zhuǎn)換和切權(quán)電路的定時(shí)信號(hào)會(huì)置位觸發(fā)器，而在主機(jī)、備機(jī)正常工作時(shí)，會(huì)定時(shí)發(fā)出復(fù)位信號(hào)將置位信號(hào)清零，故障單機(jī)不能正常發(fā)出復(fù)位信號(hào)，超出預(yù)置的時(shí)間后，對應(yīng)的觸發(fā)器不能被復(fù)位，會(huì)產(chǎn)生切換信號(hào)，對當(dāng)權(quán)的中央處理器進(jìn)行權(quán)限更換。如果主機(jī)、備機(jī)均工作正常，觸發(fā)器不產(chǎn)生切權(quán)信號(hào)，默認(rèn)主機(jī)輸出作為采集系統(tǒng)輸出，如果在某個(gè)工作時(shí)段內(nèi)，主機(jī)、備機(jī)都處于異常狀態(tài)(即兩機(jī)都不能輸出正常置位信號(hào))，則總是由主機(jī)輸出，這樣保證了在最壞情況下有一個(gè)當(dāng)班機(jī)，從而避免了在主機(jī)、備機(jī)之間的頻繁切換。

5 測試驗(yàn)證

依據(jù)奈奎斯特采樣定理，為了不失真的恢復(fù)某模擬量信號(hào)，防止頻譜出現(xiàn)交叉和混疊，對于信號(hào)的最低采樣頻率應(yīng)該不小于該信號(hào)最高頻率fH的2倍[10]。由于實(shí)際濾波器頻率特性不可能是理想矩形，需要考慮一定的保護(hù)頻帶，工程實(shí)現(xiàn)上一般按照信號(hào)最高頻率分量的3～4倍進(jìn)行采樣。采樣頻率越高，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼率就越高，容易導(dǎo)致誤碼率偏高和遙測精度惡化等問題，因此在能不失真恢復(fù)遙測信號(hào)的前提下，盡可能降低數(shù)據(jù)傳輸碼率。

在飛行器試飛階段，為了盡可能獲得遙測數(shù)據(jù)，遙測參數(shù)的形式多樣。數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)除了需要采集溫度模擬量、力學(xué)環(huán)境參數(shù)模擬量等之外，還需要采集開關(guān)量、圖像數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)量、1553B數(shù)據(jù)等內(nèi)容[11]。某飛行器需要傳輸?shù)倪b測參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示，可見在滿足采樣需求的前提下，各種遙測參數(shù)的采樣頻率差別較大，緩變信號(hào)的采樣率只需40Hz，而某些速變信號(hào)的采樣頻率需要高達(dá)8000Hz。

根據(jù)表1所示的遙測參數(shù)數(shù)量和采樣頻率，經(jīng)計(jì)算其數(shù)據(jù)容量達(dá)到了8Mbps，同時(shí)對具有隔離采集要求的雙機(jī)冗余采集傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了故障注入測試，測試結(jié)果表明：為了避免不同系統(tǒng)之間的相互干擾，外系統(tǒng)傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)進(jìn)行隔離采集，信號(hào)之間、信號(hào)參考地之間的絕緣電阻均小于200MΩ，同時(shí)采集精度優(yōu)于1.5%。中央處理器采用主機(jī)、備機(jī)熱備份的工作模式，通過注入故障讓主機(jī)失效，經(jīng)過雙機(jī)轉(zhuǎn)換和切權(quán)電路判決，當(dāng)班機(jī)可由主機(jī)切換為備機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在一度故障情況下正常工作，避免系統(tǒng)癱瘓。波道切換前后電壓轉(zhuǎn)換波形如圖9所示，在8Mbps的高碼率傳輸情況下，多路切換開關(guān)在切換前輸出的采集通道電壓穩(wěn)定值為3V，當(dāng)切換到下一個(gè)采集通道后，多路切換開關(guān)輸出的采集通道電壓穩(wěn)定值為0V，兩個(gè)采集通道的電壓高達(dá)3V，通過電壓跟隨器的阻抗變換，在采集通道切換后約0.2個(gè)采樣周期即可快速達(dá)到穩(wěn)定電壓值，避免了在高碼率傳輸狀態(tài)時(shí)波道之間的路際干擾。

表1 某飛行器遙測參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Telemetrystatisticsforoneaircraft序號(hào)參數(shù)名稱數(shù)量(路)采樣率(Hz)數(shù)據(jù)率(bps/路)備注數(shù)據(jù)容量(bps)1壓力1540320/48002過載32001600/48003低頻振動(dòng)603202560/1536004高頻振動(dòng)90800064000/57600005溫度1440320/44806圖像2500000500000/10000007電壓信號(hào)3040320有隔離要求96008外系統(tǒng)數(shù)字量5/115200/57600091553B數(shù)據(jù)1/500000/500000合計(jì)8013280

圖9 波道切換前后電壓波形Fig.9 Voltage waveform of collection channel transform

6 結(jié)束語

基于冗余中心節(jié)點(diǎn)架構(gòu)思路，本文設(shè)計(jì)了一種高可靠的飛行器遙測參數(shù)采集系統(tǒng)，承擔(dān)信息匯總功能的中心節(jié)點(diǎn)采用雙機(jī)熱備份，通過對主機(jī)和備機(jī)自身狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測，在出現(xiàn)故障時(shí)經(jīng)自主判別和切換，可實(shí)現(xiàn)控制權(quán)快速切換，提高了系統(tǒng)的可靠性和重構(gòu)性。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效地滿足航天飛行器數(shù)據(jù)隔離采集、故障隔離與系統(tǒng)重構(gòu)的要求，在一度故障情況下避免系統(tǒng)癱瘓，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，在高碼率傳輸情況下減少采集通道快速切換前后的路際干擾，提高了電路的采集精度，具有較好的工程參考意義。