周少帥亓岳巖董鈞港張會(huì)新*

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；3.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

近年來(lái)，隨著飛行器測(cè)量技術(shù)飛速發(fā)展，壓力采編系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，記錄下的數(shù)據(jù)具有很高的價(jià)值，因此，如何記錄飛行器在各個(gè)飛行階段受到的壓力數(shù)據(jù)參數(shù)，并將這些壓力參數(shù)實(shí)時(shí)地傳到控制系統(tǒng)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)采編飛行器壓力數(shù)據(jù)模式下，根據(jù)控制飛行和實(shí)驗(yàn)?zāi)M得到參數(shù)計(jì)算各個(gè)階段設(shè)定的軌道，根據(jù)實(shí)際飛行的軌道與原設(shè)定運(yùn)行軌道相比較，及時(shí)調(diào)整飛行姿態(tài)。但是，這種方式比較滯后，如果在變軌的關(guān)鍵點(diǎn)不及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，將導(dǎo)致嚴(yán)重事故。如果壓力傳感器可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)飛行器受力情況，提前對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)飛行器自動(dòng)控制?；谝陨显?，設(shè)計(jì)出數(shù)字壓力傳感器的采編系統(tǒng)。

該設(shè)備安裝固定于飛行裝置，實(shí)時(shí)記錄飛行器發(fā)射之后飛行器中各部分參數(shù)。為了能夠更真實(shí)、更全面地反映飛行器的受力情況、狀態(tài)參數(shù)，以及受力測(cè)量精度，增加壓力測(cè)量點(diǎn)，這對(duì)以后飛行器改進(jìn)以及飛行姿態(tài)的調(diào)整具有重要價(jià)值。

1 總體設(shè)計(jì)

高精度數(shù)字壓力傳感器及采編系統(tǒng)設(shè)計(jì)由3 部分組成，首先是主要實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)采集的數(shù)字壓力傳感器，其次是主要控制多路壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的傳感器變換器，并將編碼傳感器采集得到數(shù)據(jù)后傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，最后是主要用于傳感器及其采編系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的地面測(cè)試臺(tái)，其功能主要是對(duì)傳感器以及測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)接口進(jìn)行模擬控制，可以打包數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，進(jìn)行上傳數(shù)據(jù)結(jié)果的分析。本設(shè)計(jì)中最多44 路壓力傳感器能被傳感器變換器同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。以FPGA 完成傳感器變換器對(duì)數(shù)字壓力傳感器的邏輯和數(shù)據(jù)編碼緩存功能的控制，并通過(guò)協(xié)議發(fā)送至422 接口，為了方便測(cè)試采編系統(tǒng)，設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口將地面測(cè)試臺(tái)與上位機(jī)鏈接，將采集回來(lái)數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)等如圖1 所示。

圖1 數(shù)字壓力傳感器及采編系統(tǒng)組成原理圖

2 壓力傳感器敏感頭選擇以及構(gòu)造原理

2.1 數(shù)字壓力傳感器敏感頭的選擇

調(diào)研市面上的各種壓力敏感頭，考慮精度、測(cè)試量程，結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)指標(biāo)，泰科電子的2 款數(shù)字壓力敏感頭MS5803 和89BSD 滿足任務(wù)指標(biāo)要求。2 種敏感頭的性能指標(biāo)對(duì)比如表1 所示。

表1

通過(guò)對(duì)比2 款敏感頭的安裝方式和數(shù)據(jù)輸出方式不同，2 種壓力敏感頭在數(shù)據(jù)輸出方式SPI 模式與I2C 模式的對(duì)比如表2。

表2

同時(shí)考慮到本次設(shè)計(jì)傳感器的測(cè)點(diǎn)比較多，傳感器的較多的輸出線會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較多的負(fù)擔(dān)。在SPI 模式下考慮到共用時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線不能同時(shí)工作，也就無(wú)法實(shí)時(shí)傳送所有測(cè)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)。而在I2C 模式下單個(gè)測(cè)點(diǎn)只需4 根線，能夠降低一半的電纜數(shù)量。經(jīng)過(guò)綜合考慮，2 種敏感頭數(shù)據(jù)輸出方式以及安裝方式89BSD 更適合本次設(shè)計(jì)。

2.2 壓力敏感頭89BSD 構(gòu)造原理

89BSD 的內(nèi)部構(gòu)造主要由傳感器接口以及壓阻MEMS 測(cè)試電橋組成，能夠?qū)⒉杉臏囟纫约皦毫δM量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成24 位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，然后通過(guò)數(shù)字接口發(fā)送出去，傳感器內(nèi)部通過(guò)選通開關(guān)、運(yùn)算放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字濾波模塊以及PROM 及數(shù)字接口集成而成。選通開關(guān)根據(jù)89BSD 收到的命令，選通溫度以及壓力開關(guān)，選中信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大到合適電壓，然后轉(zhuǎn)換成24 位數(shù)字量信號(hào)，數(shù)字濾波器將1 kHz 以下的信號(hào)濾除，提高數(shù)字傳感器精度，數(shù)字接口按照設(shè)定的輸出的格式發(fā)送出去。數(shù)字壓力敏感頭89BSD 構(gòu)造原理圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)字敏感頭89BSD 構(gòu)造原理圖

2.3 通信驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)通信驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案，采用P82B715 芯片，供電電壓為3.3 V，電源與地管腳需要接2 個(gè)電容，其中100 nF 的小電容用于濾除高頻電容，另一個(gè)1 μF 的大電容用于為供電不足時(shí)進(jìn)行供電，在驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)時(shí)，需要使用2 片P82B715 芯片，其中一片應(yīng)盡量靠近數(shù)字壓力敏感頭，最好放置在數(shù)字壓力傳感器內(nèi)部；另一片應(yīng)盡量靠近主控芯片，放置在傳感器變換器中，在兩條通信線上各有一個(gè)3 k 的上拉電阻，為防止信號(hào)失真，在壓力敏感頭和P82B715 之間的數(shù)據(jù)線上增加33 k的上拉電阻分擔(dān)灌電流，構(gòu)成完整的I2C 通信線路如圖3 所示I2C 通信驅(qū)動(dòng)電路原理圖設(shè)計(jì)。

2.4 多路數(shù)據(jù)并行采編設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的采編模式下，對(duì)多路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，一般采用選通開關(guān)進(jìn)行選通，在這種情況下采集的數(shù)據(jù)不能實(shí)現(xiàn)多路傳感器并行采集，本次設(shè)計(jì)對(duì)采編模式進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)變換器負(fù)載的44 路傳感器分配獨(dú)立的I/O 口，F(xiàn)PGA 可以同時(shí)操作不同I/O 口，結(jié)合異步FIFO 完成數(shù)據(jù)的采集。傳感器每次完成1 次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到的44×24 位數(shù)據(jù)為1 個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，當(dāng)向FIFO 時(shí)進(jìn)行編幀，幀結(jié)構(gòu)如表3 所示。

圖3 I2C 通信驅(qū)動(dòng)電路原理圖設(shè)計(jì)

表3 數(shù)據(jù)包編幀結(jié)構(gòu)圖

2.5 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)

通過(guò)查閱相關(guān)資料及往年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)以太網(wǎng)物理接口芯片采用PHY 芯片，可以邏輯電平信號(hào)與差分信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如需實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信則與介質(zhì)接口RJ45 鏈接即可，本次使用T1-6T 隔離變壓器作用于RJ45 介質(zhì)接口和W5300 輸出的差分信號(hào)線之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換來(lái)增加系統(tǒng)通信的可靠性，為得到150 MHz 時(shí)鐘信號(hào)需通過(guò)W5300 的內(nèi)部PLL 對(duì)輸入的25 MHz 時(shí)鐘信號(hào)倍頻，復(fù)位信號(hào)/REST 由FPGA控制。如圖4 所示W(wǎng)5300 接口電路原理圖設(shè)計(jì)。

圖4 W5300 接口電路原理圖設(shè)計(jì)

3 多路傳感器數(shù)據(jù)采集邏輯設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要注重于多路數(shù)據(jù)采集，重點(diǎn)介紹多路傳感器數(shù)據(jù)采集邏輯，首先傳感器變換器上電，向傳感器發(fā)送命令，進(jìn)行CRC 校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)束后，變換器控制傳感器進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)發(fā)送轉(zhuǎn)換完成命令，設(shè)置采樣率后，對(duì)采樣進(jìn)行計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集如圖5 所示，如圖所示多路傳感器數(shù)據(jù)采集流程圖。

圖5 多路傳感器數(shù)據(jù)采集流程圖

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

在實(shí)際使用過(guò)程中，需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，采用標(biāo)定好的壓力表做基準(zhǔn)儀表對(duì)傳感器的標(biāo)定，采用最小二乘法原理擬合實(shí)際測(cè)量的壓力值與采集數(shù)據(jù)的理論值，最終得到實(shí)際壓力值與傳感器測(cè)量值的函數(shù)關(guān)系式。

圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比，系統(tǒng)測(cè)量的壓力值與壓力標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)得值如圖7 所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩者差值不超過(guò)2 kPa，測(cè)量精度不超過(guò)1‰。

在常溫常壓實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下，數(shù)字壓力傳感器通過(guò)傳感器變換器控制采集數(shù)據(jù)，由上位機(jī)收到的溫度和壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，從圖可以看出，幀計(jì)數(shù)完整，沒(méi)有丟包，圖8 是對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)用Hex Edit 分析結(jié)果。

根據(jù)圖8 顯示數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得到溫度為25.6 ℃，壓力為91.0 kPa，符合實(shí)際情況，說(shuō)明傳感器正常工作，系統(tǒng)具有可行性。

圖7 系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值對(duì)比

圖8 Hex Edit 軟件中顯示的部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié)論

根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)可行性分析以及數(shù)字壓力傳感器及采編系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)量的壓力值與標(biāo)準(zhǔn)壓力器得到的壓力值相比較，結(jié)果表明誤差小于2 kPa，測(cè)量精度誤差低于1‰，性能穩(wěn)定、可靠、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定和采集精度高滿足任務(wù)要求。

根據(jù)記錄實(shí)際壓力值Y與傳感器其測(cè)量值X得到方程Y＝AX+B，由最小二乘法，求出系數(shù)的A和B的值得到關(guān)系式

在上位機(jī)軟件中，當(dāng)壓力為1 200 kPa 時(shí)，傳感器測(cè)量到的10 組數(shù)值求平均數(shù)代入上式，得到的系統(tǒng)測(cè)量的壓力值為1 200.66 kPa，系統(tǒng)精度為(1 200.66-1 200)/1 200 ＝0.000 555 ＝0.55‰。