丁博深， 段 燕， 李艷艷

(北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074)

氫氧發(fā)動機(jī)是國內(nèi)外液體火箭發(fā)動機(jī)發(fā)展趨勢之一，近年來得到蓬勃發(fā)展。在氫氧發(fā)動機(jī)地面試驗準(zhǔn)備過程中，要對地面試驗系統(tǒng)進(jìn)行程序檢查，主要目的是驗證發(fā)動機(jī)試驗出現(xiàn)參數(shù)異常時，測控系統(tǒng)能否及時執(zhí)行自動緊急關(guān)機(jī)程序[1]。程序檢查時，通常需要用到3類信號源模擬發(fā)動機(jī)上的關(guān)鍵參數(shù)，信號類型包括：正弦波頻率信號、毫伏級電壓信號和高/低電平信號。根據(jù)程序檢查實際需求，每次測試8～10個關(guān)機(jī)條件，每個條件需人工將多個模擬信號調(diào)節(jié)至特定范圍，這種調(diào)節(jié)方式不僅影響了試驗準(zhǔn)備效率，還存在人工誤操作風(fēng)險。

目前，國內(nèi)氫氧發(fā)動機(jī)試驗程序檢查時，實現(xiàn)模擬信號加載的方式普遍有兩種：一種是用多臺信號源實現(xiàn)信號模擬；另一種方式是將多路頻率發(fā)生器和電壓信號源客制化在一臺設(shè)備上，該方式較第一種方式減少了信號源設(shè)備，但每次程序檢查仍需根據(jù)不同關(guān)機(jī)條件分別調(diào)整多個模擬信號大小。此外，還有基于NI板卡簡易的模擬緊急關(guān)機(jī)參數(shù)方式，但需要控制器和模塊支持，只適用于基于NI采集控制設(shè)備的系統(tǒng)。

由于每個關(guān)機(jī)條件中的要調(diào)節(jié)的模擬信號范圍相對固定，為了實現(xiàn)控制每個條件的信號同時自動輸出，本文用STM32F103ZET6作為主控制芯片，通過SPI與AD9851通信，令其產(chǎn)生預(yù)設(shè)的頻率信號，通過串行傳輸與DAC8554通信，令其產(chǎn)生預(yù)設(shè)的毫伏級電壓信號，為了進(jìn)一步降低偏移誤差，獲得更高的分辨力，電壓輸出后用精密電阻分壓，實現(xiàn)了精準(zhǔn)的低電壓輸出。同時，STM32的I/O口控制三極管輸出高/低電平信號。用串口屏實現(xiàn)人機(jī)交互。通過單擊屏幕上不同條件按鍵，向STM32發(fā)出不同指令，對應(yīng)輸出所需的一系列信號。

1 背景

目前氫氧發(fā)動機(jī)試驗自動緊急關(guān)機(jī)的參數(shù)判讀由采集系統(tǒng)的工控機(jī)完成。若出現(xiàn)異常，工控機(jī)發(fā)送DO信號給控制臺執(zhí)行緊急關(guān)機(jī)操作，如圖1所示。緊急關(guān)機(jī)判讀的參數(shù)隨發(fā)動機(jī)原理不同而各異，由相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換成電信號傳輸給采集系統(tǒng)，通常包括轉(zhuǎn)速和壓力參數(shù)。某些型號發(fā)動機(jī)高空模擬試驗判讀參數(shù)還包括真空壓力參數(shù)。

圖1 緊急關(guān)機(jī)過程框圖

信號源設(shè)計要求與傳感器輸出形式和量級相關(guān)。試驗所用的應(yīng)變式壓力傳感器，最大輸出約10 mV，因此，電壓模擬信號范圍要求在0～10 mV之間。為了保證模擬的壓力信號穩(wěn)定和設(shè)置的關(guān)機(jī)條件的準(zhǔn)確性，要求電壓設(shè)置精度優(yōu)于0.5 mV，分辨力優(yōu)于0.5 mV，噪聲峰峰值小于1 mV。

真空壓力測量通常使用電容薄膜式或壓阻式變送器，輸出4～20 mA電流信號并通過采樣電阻轉(zhuǎn)為1～5 V電壓信號。試驗時，當(dāng)真空度高于一定數(shù)值，即真空傳感器輸出5 V以上電壓時，認(rèn)為滿足關(guān)機(jī)條件，執(zhí)行緊急關(guān)機(jī)。因此，真空壓力的模擬信號輸出≥5 V和≤1 V的兩種電平信號，即可滿足程序檢查需求。

轉(zhuǎn)速信號的輸出是正弦波電壓信號，該信號通過預(yù)處理儀轉(zhuǎn)成TTL電平，采集系統(tǒng)通過測量TTL周期來實現(xiàn)頻率測量，如圖2所示。根據(jù)程序檢查需求，信號源需滿足可程序控制輸出0～1 kHz正弦波信號，設(shè)置精度優(yōu)于1 Hz，分辨力優(yōu)于1 Hz。

圖2 頻率測量原理圖

2 電路設(shè)計

信號源主控芯片為意法半導(dǎo)體(ST)的STM32F103ZET6單片機(jī)，其具有3個SPI通信口、5個串口、2個12-bit的D/A，最高主頻72 MHz，滿足信號源自動控制功能的實現(xiàn)，在低功耗、低電壓運行等基礎(chǔ)上實現(xiàn)了高性能。信號源原理框圖如圖3所示。

圖3 信號源原理框圖

2.1 電源設(shè)計

(1) 帶載能力。

對負(fù)載芯片功耗進(jìn)行統(tǒng)計計算。STM32F103在不同應(yīng)用條件下，工作電流不同，最大為150 mA；DAC8554不同供電電壓下，工作電流不同，最大為0.95 mA[2]；5 in HMI電阻屏非SLEEP模式額定電流為350 mA；AD9851不同供電電壓下額定電流[3]如表1所示。

表1 AD9851額定電流

假設(shè)僅用線性電源，理論上總電流如表2所示。

表2 總電流計算 單位：mA

表2每個芯片以額定電流最大值計算，忽略電阻損耗。計算結(jié)果顯示整個電路驅(qū)動電流約為761.9 mA，小于1 A，信號源設(shè)備采用帶負(fù)載能力1 A的電源。

(2) 散熱。

STM32工作電壓VDD=2～3.6 V，本文選擇3.3 V供電；DAC8554和AD9851數(shù)模兩部分電源供電分開，供電電壓3.3 V或5 V。為了最小化系統(tǒng)，提高轉(zhuǎn)換效率，采用開關(guān)電源變壓后給信號源供電。同時，采取表3所列措施減少電流輸出，減小壓降，從而降低熱耗。

表3 降低熱耗措施

表3中的措施3是為了保證模擬信號輸出較低噪聲，采用散熱較好的D2PAK封裝L7805線性穩(wěn)壓器輸出5 V電壓，其熱性能參數(shù)如表4所示。

表4 L7805熱性能參數(shù)

用以下公式[4]計算散熱功率:

T=T0+RthJA×P

(1)

式中，T為電路正常工作時，線性穩(wěn)壓器的溫度；T0為環(huán)境溫度；P為線性穩(wěn)壓器以熱形式耗散的功率。

通過式(1)計算L7805理論溫升小于23 ℃。室溫20 ℃下，其實際溫度僅比體溫稍高。

(3) 干擾。

為了減小數(shù)模之間干擾，將數(shù)字和模擬部分的5 V供電分開，一路由金升陽DC-DC模塊K7805為數(shù)字部分供電，一路由ST公司的L7805為模擬部分供電，壓降到5 V后，各自進(jìn)LDO芯片AMS1117-3.3，實現(xiàn)3.3 V輸出，如圖4所示。通常數(shù)字電路干擾較大，除數(shù)模電源分開外，模擬地與數(shù)字地也分開敷設(shè)，最終在9 V電源負(fù)處匯集，防止干擾。

圖4 電源設(shè)計框圖

2.2 電壓模擬信號設(shè)計

為實現(xiàn)可控的電壓模擬信號輸出，采用D/A轉(zhuǎn)換的方式。由設(shè)計要求，輸出至少有0.5 mV的分辨力。參考電壓為4.5 V，位數(shù)由式(2)計算得出，12位以上的D/A可滿足要求。

4500mV÷0.5mV=9000>212

(2)

為了達(dá)到更高分辨力，電壓模擬信號輸出采用D/A芯片DAC8554，該芯片是德州儀器(TI)公司推出的一款4路16位D/A芯片。主要性能指標(biāo)如表5所示。

表5 DAC8554主要性能指標(biāo)

該芯片具有較高分辨力，參考電壓5 V下，模擬量輸出分辨力約0.08 mV。信號源采用2個DAC8554，實現(xiàn)8路電壓信號輸出。

芯片電路設(shè)計原理圖如圖5所示。

圖5 DAC8554電路設(shè)計原理圖

由于D/A輸出的穩(wěn)定性依賴于參考電壓，這里采用REF5045電壓基準(zhǔn)芯片[5]的輸出作為VREFH參考。

2.3 頻率模擬信號設(shè)計

正弦波頻率輸出采用AD9851芯片，該芯片是亞德諾半導(dǎo)體(ADI)公司的一款高集成度DDS頻率合成器，主要性能指標(biāo)如表6所示，滿足頻率分辨力優(yōu)于1 Hz的設(shè)計要求。信號源采用2片AD9851，實現(xiàn)2路頻率信號輸出。

表6 AD9851主要性能指標(biāo)

頻率發(fā)生芯片AD9851用SPI進(jìn)行通信，通過串行模式輸送數(shù)據(jù)，減少端口占用。電路原理圖[6～8]如圖6所示。

圖6 AD9851電路設(shè)計原理圖

2.4 高低電平電路設(shè)計

利用三極管的截止/飽和工作狀態(tài)可模擬輸出高/低電平狀態(tài)，原理圖如圖7所示。

圖7 三極管原理圖

單片機(jī)輸出數(shù)字信號Pin為“0”時，三極管截止，Pout輸出高電平DVCC(5 V)； Pin為“1”時，三極管飽和，Pout輸出低電平VCE(sat)。信號源用2個三極管開關(guān)電路，實現(xiàn)2路高低電平信號輸出。

3 軟件設(shè)計

在Keil MDK開發(fā)環(huán)境下對STM32控制和交互程序進(jìn)行設(shè)計[9]，編程邏輯基于中斷，若HMI串口屏的Tx發(fā)送數(shù)據(jù)，STM32產(chǎn)生中斷接收數(shù)據(jù)，根據(jù)接收數(shù)據(jù)不同輸出不同模擬信號。程序流程圖如圖8所示。

圖8 STM32程序流程圖

3.1 STM32與AD9851通信

AD9851默認(rèn)為并行傳輸模式，因本文使用的是串行傳輸模式，需設(shè)置D7～D0為xxxxx011。

上電后，STM32控制RESET(高電平有效)置0，接著對RESET置1，置1時長大于5個時鐘周期，此時AD9851開啟默認(rèn)的并行傳輸模式，隨后，立即執(zhí)行圖9所示的時序設(shè)置，才能順利完成串行設(shè)置。

圖9 AD9851串行設(shè)置時序圖

值得注意的是，根據(jù)AD9851傳輸時序(如圖10所示)，STM32的SPI應(yīng)設(shè)置為：串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為低電平，在串行同步時鐘的第一個跳變沿(上升或下降)數(shù)據(jù)被采樣；數(shù)據(jù)傳輸從LSB位開始。然后使能SPI，進(jìn)行40個控制字的傳輸，設(shè)置完成后，AD9851實現(xiàn)波形輸出。

圖10 AD9851傳輸時序圖

3.2 STM32與DAC8554通信

DAC8554輸出電壓與參考電壓和分辨力相關(guān)，計算公式為

(3)

式中，DIN為要輸入給DAC寄存器的二進(jìn)制數(shù)。本文的VREFL=0，VREFH=4.5 V，根據(jù)不同輸出值，可計算出16位DIN。設(shè)置好包括DIN在內(nèi)的24位控制字后，根據(jù)DAC8554設(shè)置時序，對STM32進(jìn)行程序編寫。

DAC8554輸出的穩(wěn)定性依賴于電壓基準(zhǔn)，而4路通道輸出電壓的準(zhǔn)確性則與表5中的性能指標(biāo)有關(guān)。因此，實際使用中，程序中所用的DIN和VOUT關(guān)系公式需要校準(zhǔn)。本文采用簡單的兩點線性校準(zhǔn)：設(shè)置485和64741兩個16位數(shù)據(jù)作為DIN，用六位半表分別測量兩個數(shù)字量的輸出電壓VOUT，根據(jù)兩組數(shù)字量和電壓值，擬合一條直線(其中b為斜率，a為截距)，作為DIN和預(yù)設(shè)輸出電壓VOUT的實際曲線，即

DIN=a+b×VOUT

(4)

用上述方法求出式(4)中的a和b后，即可在程序中用該公式計算DIN。

3.3 人機(jī)交互程序設(shè)計

信號源人機(jī)交互采用淘晶馳X5系列5 in電阻觸摸屏，分辨率為800像素×480像素。程序設(shè)計包括界面設(shè)計和通信代碼編寫，編程語言為類C語言，與STM32指令數(shù)據(jù)通過串口傳輸。

4 接地和系統(tǒng)調(diào)試

本文用到的9 V 1 A電源適配器為單相二腳插頭，沒有地線?？紤]到三相不平衡時，中性線電流不能均衡為零，其中含有大量諧波分量，且中性線導(dǎo)體上存在與地導(dǎo)體壓降[10]，本文將電路板地與其他設(shè)備共地，令其與整個測量系統(tǒng)共用一個回流地點，有效減小干擾，圖11為接地前后頻域?qū)Ρ葓D，可以看出接地后工頻干擾減小。

圖11 接地前后頻域圖

完成設(shè)備連接后，進(jìn)行整體系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試內(nèi)容包括：

① 72 h不間斷硬件拷機(jī)測試，確保設(shè)備長時間運行穩(wěn)定性。

② 測量系統(tǒng)與自動化設(shè)備聯(lián)調(diào)，記錄并測試采集數(shù)據(jù)中輸出邏輯的正確性。電壓信號5 min內(nèi)波動不超過0.01 mV。

經(jīng)計量部門校準(zhǔn)，電壓計量0～10 mV設(shè)置精度優(yōu)于0.2 mV，頻率計量精度達(dá)到0.02%。

5 結(jié)束語

基于氫氧發(fā)動機(jī)試驗準(zhǔn)備過程中測試需求，設(shè)計了一臺人機(jī)交互式自動化信號源。該信號源用STM32單片機(jī)進(jìn)行控制，實現(xiàn)了2路正弦波頻率信號輸出，8路模擬電壓信號輸出，2路高低電平信號輸出，每一路輸出值均可自動化調(diào)整，在滿足了現(xiàn)場需求的基礎(chǔ)上，最小化設(shè)備，減少人工操作，節(jié)約時間成本。

信號源輸出信號種類和路數(shù)較多，滿足不同型號發(fā)動機(jī)試驗需求。該類自動化設(shè)備的廣泛應(yīng)用，是今后發(fā)動機(jī)試驗的發(fā)展趨勢之一。