薛子剛 高 屹 薛 田

1(中國(guó)人民解放軍91515部隊(duì) 海南 三亞 572016) 2(海軍勤務(wù)學(xué)院海防工程系 天津 300450) 3(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院 陜西 西安 710072)

0 引 言

對(duì)于飛機(jī)翼型的性能評(píng)估，需要借助空氣壓力測(cè)量系統(tǒng)來(lái)獲取機(jī)翼表面的壓力分布數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析出機(jī)翼的氣動(dòng)力特性。傳統(tǒng)的空氣壓力測(cè)量系統(tǒng)主要有多管壓力計(jì)、機(jī)械掃描閥和電子掃描閥等，安裝流程復(fù)雜，操作成本較高，同時(shí)氣壓傳導(dǎo)造成測(cè)量遲滯嚴(yán)重，壓力平衡時(shí)間過長(zhǎng)，無(wú)法滿足動(dòng)態(tài)測(cè)量的需求[1]。

MEMS技術(shù)的發(fā)展為翼面壓力分布測(cè)量提供了較好的解決方案?；贛EMS工藝的壓力傳感器具有體積小、重量輕、響應(yīng)頻率高、機(jī)電耦合性好等特點(diǎn)，可以直接安裝在翼面任何位置[1]，同時(shí)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量。另一方面，集成電路技術(shù)(ASIC)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體芯片的功能高度集成，芯片體積趨于微型化，功耗越來(lái)越低。因此，可以使用分立元件結(jié)合柔性電路板技術(shù)設(shè)計(jì)出具有柔性的薄片化測(cè)壓帶，直接貼附在翼面進(jìn)行壓力測(cè)量，無(wú)須開孔，避免對(duì)待測(cè)量結(jié)構(gòu)物造成破壞，易于模塊化，更加容易安裝和布設(shè)測(cè)量點(diǎn)，且可重復(fù)使用。

另外，對(duì)于二元模型動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力的測(cè)定，必須從脈動(dòng)的壓力分布通過面積加權(quán)積分來(lái)得到氣動(dòng)力的時(shí)間歷程，而其先決條件是各測(cè)壓點(diǎn)壓力的時(shí)間歷程必須是同步的，也就是要測(cè)得同一時(shí)刻諸多測(cè)點(diǎn)的壓力[2]。IEEE1588協(xié)議是一種精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，基于以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，占用較少資源，實(shí)現(xiàn)了高精度時(shí)鐘同步，非常適合用于小型網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)其支持硬件時(shí)間戳?xí)r，能提供高達(dá)幾百納秒甚至幾十納秒的時(shí)鐘同步精度[3]。因此，IEEE1588協(xié)議為該測(cè)量系統(tǒng)提供了一個(gè)可靠的時(shí)鐘同步解決方案。

目前，國(guó)內(nèi)尚沒有成熟的柔性測(cè)壓帶系統(tǒng)，大多研究使用波音公司研發(fā)的用于飛行測(cè)試的MEMS多傳感器柔性壓力帶系統(tǒng)[4]和Golfarelli等[5]開發(fā)的用于檢測(cè)翼面壓力分布的基于電容式壓力傳感器陣列的測(cè)量系統(tǒng)，其價(jià)格昂貴。同時(shí)國(guó)內(nèi)相關(guān)科研單位已經(jīng)開始重視該課題的研究，西北工業(yè)大學(xué)微納米系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研制出了基于MEMS技術(shù)的微傳感器陣列和柔性翼面分布式壓力測(cè)量條帶，探索了測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可行性和有效性[6]，并積累了相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。因此，本文基于IEEE1588協(xié)議研發(fā)一款成本更低、性能更好的柔性測(cè)壓帶系統(tǒng)，可以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)該方面的空缺，對(duì)于促進(jìn)空氣壓力分布測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和氣動(dòng)力相關(guān)試驗(yàn)的高效開展具有很大意義。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，如圖1所示。它主要包括壓力片、網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器(NCAP)、連接帶和整流罩等部分。采用這種設(shè)計(jì)模式，可根據(jù)機(jī)翼的尺寸調(diào)整NCAP的數(shù)量、測(cè)壓帶的長(zhǎng)度、測(cè)量點(diǎn)的分布密度。一個(gè)壓力片包括一個(gè)MEMS壓力傳感器，多個(gè)連接帶和壓力片串聯(lián)在一起組成測(cè)壓帶，連接至網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器(NCAP)，網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器負(fù)責(zé)采集測(cè)壓帶數(shù)據(jù)，給測(cè)壓帶供電，存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)IEEE1588時(shí)鐘同步和利用以太網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。多個(gè)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器可通過交換機(jī)組成一個(gè)分布式測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)匯總至遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)。

圖1 柔性測(cè)壓帶設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)傳輸方案

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信可分為兩級(jí)，如圖2所示，自上而下分別是基于TCP/IP的以太網(wǎng)和CAN FD總線。以太網(wǎng)具有容易組網(wǎng)、通信帶寬高和傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，CAN FD總線是基于CAN數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議修改實(shí)現(xiàn)的，有效地提高了通信帶寬，其電路及軟件設(shè)計(jì)則相對(duì)簡(jiǎn)單，易于開發(fā)和縮小硬件體積，同時(shí)又保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹7]。通過結(jié)合這兩種通信方案，以網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器作為通信紐帶，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量分散布置的測(cè)量點(diǎn)的控制、采集、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)傳輸[8]。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸解決方案

1.3 同步采集方案

類似于網(wǎng)絡(luò)通信方案，壓力傳感器同步采集的實(shí)現(xiàn)同樣分為兩級(jí)。第一級(jí)使用IEEE1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)所有網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器的高精度時(shí)鐘同步，第二級(jí)由每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器利用本地PTP時(shí)鐘產(chǎn)生上升沿對(duì)齊的時(shí)鐘信號(hào)，觸發(fā)測(cè)壓帶上所有壓力片的同步采集。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器

網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器采用Cotex-M4內(nèi)核的ARM芯片作為主控，自帶USB OTG、FSMC、UART、Ethernet MAC(支持IEEE1588V2)和SPI等外設(shè)，使用NAND FLASH作為存儲(chǔ)介質(zhì)，并使用ARM芯片的外設(shè)USB OTG卸載數(shù)據(jù)，其他外圍電路還包括了RS232總線、CAN FD總線、以太網(wǎng)通信、IEEE1588硬件層、同步時(shí)鐘等，其硬件組成如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器硬件設(shè)計(jì)框圖

主控制器：采用意法半導(dǎo)體公司一款型號(hào)為STM32F407的ARM芯片。該芯片采用了32位Cortex-M4內(nèi)核，并且?guī)в懈↑c(diǎn)運(yùn)算單元，可提供最高168 MHz的工作頻率，高達(dá)1 MB的Flash和192 KB的RAM，具有高集成度、高性能、嵌入式大容量存儲(chǔ)器和豐富外設(shè)等特點(diǎn)。

以太網(wǎng)和IEEE1588電路：以太網(wǎng)電路可分為三部分，分別是MAC、PHY和網(wǎng)口。STM32F407內(nèi)部集成了以太網(wǎng)MAC，而PHY和網(wǎng)口由外部分立元件實(shí)現(xiàn)，其電路連接如圖4所示。其中：MAC和PHY的通信使用RMII接口，使用的通信端口更少，減少了對(duì)STM32F407的GPIO的占用；PHY選擇德州儀器公司的DP83640芯片，該芯片和STM32F407的以太網(wǎng)MAC外設(shè)都提供了對(duì)IEEE1588的支持。

圖4 以太網(wǎng)電路連接圖

CAN FD電路：由于STM32F407沒有自帶CAN FD控制器，所以選擇了外置的CAN FD控制器和CAN FD收發(fā)器，通過SPI與MCU通信，電路連接如圖5所示。

圖5 CAN FD電路連接圖

NAND FLASH電路：STM32F407自帶的靈活靜態(tài)存儲(chǔ)控制器(FSMC)外設(shè)，支持連接NAND FLASH設(shè)備，NAND FLASH與STM32F407的電路連接如圖6所示，其通過FSMC接口實(shí)現(xiàn)對(duì)NAND FLASH的讀寫。

圖6 NAND FLASH電路連接圖

同步信號(hào)電路：同步信號(hào)用于實(shí)現(xiàn)測(cè)壓帶上所有的傳感器數(shù)據(jù)采集的同步，由網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器的MCU產(chǎn)生，傳送到各個(gè)壓力片。為了提高信號(hào)的抗干擾能力，將MCU的GPIO輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，該工作由CAN FD收發(fā)器完成，使用的是CAN FD總線相同的收發(fā)器，同步信號(hào)電路如圖7所示。

圖7 同步信號(hào)電路連接圖

2.2 壓力片

壓力片采用一款超低功耗的ARM內(nèi)核(Cotex-M0+內(nèi)核)作為主控芯片，電路板設(shè)計(jì)采用FPC柔性電路板技術(shù)，選擇小體積的元件封裝(如QFN、0402等)，以保證壓力片的柔韌性，降低壓力片的厚度。壓力片硬件組成如圖8所示。

圖8 壓力片硬件設(shè)計(jì)框圖

主控制器：芯片采用Microchip公司型號(hào)為ATSAMC21E18A的芯片。該芯片具有集成度高，功耗低和尺寸小等特點(diǎn)，其長(zhǎng)和寬為5 mm，厚度僅為0.8～1.0 mm。為了減小壓力片的尺寸，使用最少引腳(32 Pin)的QFN封裝，最小硬件系統(tǒng)僅包含必需的供電電源(+3.3 V)和SW調(diào)試接口，時(shí)鐘使用芯片內(nèi)部的48 MHz的振蕩器。

傳感器電路：傳感器的型號(hào)為BME680，集成了溫度、壓力和濕度傳感器，其中壓力傳感器是基于硅壓阻式原理設(shè)計(jì)的，壓力測(cè)量范圍為30～110 kPa，工作溫度范圍-40～65 ℃，其對(duì)外接口為SPMCU，可通過SPI接口對(duì)傳感器進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)采集。

CAN FD收發(fā)器電路和同步信號(hào)電路與網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器相同，為了降低壓力片的厚度，收發(fā)器的封裝改成了TDFN，尺寸為2 mm×3 mm×0.75 mm。

2.3 電 源

本系統(tǒng)采用直流電源供電，其中壓力片電源由網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器供給。考慮到單條測(cè)壓帶上掛載的壓力片可能高達(dá)百個(gè)，即使單個(gè)壓力片功耗很低，但是測(cè)壓帶上所有壓力片需要的總功耗仍會(huì)很大，而作為連接帶的FFC載流能力有限。為了降低連接帶上的電流和線路上的損耗，采用大電壓小電流是較合理的解決方案。因此，電源設(shè)計(jì)采用28～42 V的直流供電，網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器穩(wěn)壓出一路24 V電壓供給壓力片，然后壓力片在進(jìn)行降壓使用，整個(gè)系統(tǒng)的電源解決方案如圖9所示。

圖9 電源設(shè)計(jì)方案

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分全部基于兩款A(yù)RM芯片完成，網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器是基于Cortex-M4內(nèi)核的高性能微控制器進(jìn)行軟件開發(fā)，壓力片是基于Cortex-M0+內(nèi)核的低功耗微控制器進(jìn)行軟件開發(fā)，均使用C語(yǔ)言。

3.1 網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器

網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器在系統(tǒng)中的作用是有序地收集測(cè)壓帶上的傳感器數(shù)據(jù)，然后根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的需求選擇將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地存儲(chǔ)器或者通過局域網(wǎng)上傳至遠(yuǎn)端的PC。另一方面，網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器還要完成時(shí)鐘同步，以輔助測(cè)壓帶上的壓力片同步的采集數(shù)據(jù)。其軟件工作流程如圖10所示。

圖10 網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器軟件工作流程圖

3.2 壓力片

壓力片的主要作用是根據(jù)同步脈沖準(zhǔn)時(shí)的采集傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)傳感器數(shù)據(jù)補(bǔ)償，最后有序地將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用處理器。其軟件工作流程如圖11所示。為了使MCU能以最快的速度響應(yīng)同步脈沖，并啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采集，以保證同步精度，程序以前/后臺(tái)形式工作。后臺(tái)程序?yàn)橹袛喾?wù)函數(shù)，響應(yīng)同步脈沖觸發(fā)的中斷，每發(fā)生一次中斷觸發(fā)一次數(shù)據(jù)采集。前臺(tái)是一個(gè)死循環(huán)，主要完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和校正，并使用乒乓存儲(chǔ)機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序緩存和發(fā)送。由于傳感器BME680輸出的壓力數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重的非線性和溫漂，為了提高傳感器測(cè)量精度，采用多項(xiàng)式擬合方法實(shí)現(xiàn)傳感器的非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，并基于壓力片主控芯片實(shí)時(shí)修正壓力數(shù)據(jù)[9]。

圖11 壓力片軟件工作流程圖

4 性能測(cè)試與評(píng)估

研制的單條柔性測(cè)壓帶系統(tǒng)壓力片和測(cè)壓帶厚度僅為1.3 mm，達(dá)到了模塊化、薄片化、柔性化、低成本的要求，通過對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信帶寬、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率、IEEE1588時(shí)鐘同步精度、傳感器精度等各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試，其符合設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求。

(1) 數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。測(cè)壓帶的長(zhǎng)度會(huì)影響通信總線的通信速率(測(cè)壓帶的長(zhǎng)度與通信總線的帶寬成反比)，經(jīng)測(cè)試，在10 m通信距離下，CAN FD總線能夠以數(shù)據(jù)段5 Mbit/s、仲裁段和應(yīng)答段1 Mbit/s的通信速率穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)3 Mbit/s，最大支持壓力片數(shù)量為100片。另外，由于通信總線帶寬有限，單條測(cè)壓帶掛載的節(jié)點(diǎn)數(shù)會(huì)影響壓力片上傳感器的最大采樣率。

(2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試。系統(tǒng)使用NAND FLASH作為存儲(chǔ)介質(zhì)，使用RL-FlashFS管理NAND FLASH和實(shí)現(xiàn)FAT32格式的文件系統(tǒng)。經(jīng)60次重復(fù)性讀寫測(cè)試，STM32F407以文件的形式對(duì)NAND FLASH的寫入速率可保證在1.5 MB/s以上，讀取速率可以保證在3 MB/s以上，可以滿足系統(tǒng)存儲(chǔ)速率需求。

(3) IEEE1588時(shí)鐘同步精度。采用文獻(xiàn)[10]、文獻(xiàn)[11]的測(cè)試方法搭建測(cè)試平臺(tái)，分別將Sync報(bào)文發(fā)送周期設(shè)置為0.5、1和2 s，測(cè)試三組數(shù)據(jù)。在測(cè)試過程中，通過觀察秒脈沖的上升沿，連續(xù)記錄誤差，每秒記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，獲取的誤差數(shù)據(jù)分布柱狀圖如圖12所示。

圖12 從主時(shí)鐘同步誤差分布直方圖

測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)同步周期為0.5 s時(shí)，誤差分布在-60～80 ns以內(nèi)；當(dāng)同步周期為1 s時(shí)，誤差分布在-80～120 ns以內(nèi)；當(dāng)同步周期為2 s時(shí)，誤差基本分布在-120～120 ns以內(nèi)，但在測(cè)試過程中出現(xiàn)了一次誤差大于120 ns的情況。因此，從圖9可以更加直觀地看出：隨同步周期減小，同步誤差逐漸減小，誤差數(shù)據(jù)分布更加集中，具有更好的收斂性和魯棒性。另外，在同步周期減小后，時(shí)鐘同步收斂的速率更快。

(4) 傳感器精度測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，壓力傳感器未經(jīng)補(bǔ)償時(shí)的靜態(tài)輸出最大滿量程誤差如下：在10～65 ℃時(shí)為1.627%，-40～10 ℃時(shí)為6.978%；壓力傳感器經(jīng)過補(bǔ)償后的靜態(tài)輸出最大滿量程誤差如下：在0～65 ℃時(shí)為0.086%，-40～10 ℃時(shí)為0.575%。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，相較未補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償后傳感器的精度明顯提高，補(bǔ)償算法效果明顯，但是在10 ℃以下傳感器的精度仍然不太理想。雖然可以通過進(jìn)一步提高多項(xiàng)式的次數(shù)來(lái)提高精度，但是當(dāng)增加多項(xiàng)式次數(shù)后，由于高次項(xiàng)的系數(shù)非常小，無(wú)法使用32位定點(diǎn)數(shù)表示，如果使用更大位寬的定點(diǎn)數(shù)再加上高次項(xiàng)的乘法，單片機(jī)耗費(fèi)的運(yùn)算資源過多，在實(shí)時(shí)補(bǔ)償時(shí)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集的頻率影響較大。

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)的柔性測(cè)壓帶系統(tǒng)，已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，符合了測(cè)試平臺(tái)的要求。同時(shí)，該系統(tǒng)也是通用的，不僅僅適用于飛機(jī)，在進(jìn)行風(fēng)洞、風(fēng)力渦輪機(jī)、高速列車以及其他氣流實(shí)驗(yàn)過程中也會(huì)用到空氣壓力分布測(cè)量系統(tǒng)，也可以將壓力傳感器換成其他類型的傳感器，比如：加速度計(jì)、溫度傳感器或者應(yīng)變計(jì)等。尤其對(duì)于需要大量傳感器的場(chǎng)合，該系統(tǒng)提供了一種安裝方便、擴(kuò)展靈活、數(shù)據(jù)傳輸可靠的解決方案。該壓力測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后還沒有進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量精確度和惡劣環(huán)境的可靠性無(wú)法得以驗(yàn)證。下一步工作重點(diǎn)是通過風(fēng)洞和飛行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，使測(cè)量系統(tǒng)更加完善。