李增科,李云鵬,雷軍剛,席東學(xué),宗 朝

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

空間實驗室、實驗衛(wèi)星及飛行器中都存在微重力環(huán)境。微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)依據(jù)環(huán)境試驗平臺，開展各項科學(xué)試驗?？臻g實驗室進行實驗蒸發(fā)與流體界面效應(yīng)空間實驗研究，包括：微重力流體物理實驗[1]、流體相關(guān)沸騰氣泡實驗[2]、空間實驗室液橋熱毛細對流實驗；衛(wèi)星環(huán)境下有流體蒸發(fā)與冷凝兩相系統(tǒng)試驗；空間試驗柜進行燃燒試驗等。所以微重力測量儀不僅能夠滿足為各類科學(xué)實驗任務(wù)環(huán)境提供數(shù)據(jù)的需求，而且能為相關(guān)領(lǐng)域工程化應(yīng)用提出新思路[2]。

1 測量儀原理及組成

微重力測量儀傳感器采用石英撓性加速度計。石英撓性加速度計原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1(a)為擺片結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用整片融熔石英，腐蝕出擺片、邊框和撓性梁。圖1(b)為控制結(jié)構(gòu)。當(dāng)沿輸入軸出現(xiàn)加速度時，邊框隨之加速，而擺片因慣性不被加速，從而偏離平衡位置。在擺片上蒸鍍有金電極與支撐件(未畫出)上的固定電極構(gòu)成差分電容。傳感器內(nèi)檢測電路通過對擺片部件與支撐構(gòu)成的差分電容變化進行檢測，存在電容變化時，即經(jīng)伺服反饋電路放大后將電流加到力矩圈上，通過電磁力將擺片拉回到平衡位置，反饋電流與加速度成正比[3]。

圖1 石英撓性加速度計原理結(jié)構(gòu)Fig.1 Principle and structure of quartz flexible accelerometer

測量原理為：對空間三坐標加速度矢量采用傳感器感知，通過檢測調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路后，數(shù)字信號通過主控處理器進行數(shù)據(jù)處理，由內(nèi)部總線經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元與外接口進行通信。

空間實驗室微重力測量儀系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示[4]。

圖2 空間實驗室微重力測量儀系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.2 Diagram of the system composition of the microgravitymeter in the space laboratory

2 控制電路設(shè)計

2.1 信號檢測與調(diào)理

石英撓性加速度計分別獲得X、Y和Z三軸垂直加速度矢量，輸出與沿其輸入軸方向的加速度成正比的電流信號，并經(jīng)過檢測與調(diào)理電路后輸出電壓信號。若在150 mg量程以內(nèi)，加速度標度因數(shù)為1.1～1.4 mA/g,平均值為1.25 mA/g。其加速度計輸出電流為0.187 5 mA。利用I-V電路輸出電壓為5 V計算，可得反饋電阻為26.67 kΩ。加速度輸出信號接運算放大器，構(gòu)成信號檢測調(diào)理電路。完成電流-電壓轉(zhuǎn)換輸出預(yù)設(shè)電壓。電路中有限流、限幅保護、匹配性功能等設(shè)計[5]。

信號檢測與調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 信號檢測與調(diào)理電路Fig.3 Signal detection and conditioning circuit

圖3中：左側(cè)虛線框為加速度計等效電路圖；有效電流信號被認為近似電流源提供；Rx等效為內(nèi)部電阻；R1為匹配電阻，其不同電阻值可影響后接入放大電路的幅頻特性。

2.2 濾波器設(shè)計

2.2.1 低通濾波器設(shè)計

模擬濾波器在滿足設(shè)計所需幅頻特性的同時，為避免信號受到外界干擾的影響因素，增加了抗混疊設(shè)計。從提高儀器測量精度角度出發(fā)，研制中要多方面考慮衰減因素：在滿足動態(tài)范圍大于72 dB的實際需求前提下，設(shè)定被測對象動態(tài)范圍、高頻干擾信號下線要求，加速度計在信號傳輸中衰減。模擬濾波器采用1級無源電阻-電容電路(resistor-capacitance circuit，RC)濾波器和1級2階巴特沃茲(Butterworth)低通濾波器，截止頻率約為500 Hz，實際測量與仿真做比較后均滿足設(shè)計要求。三階Butterworth低通濾波器電路原理如圖4所示。

圖4 三階Butterworth低通濾波器電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of third-order Butterworthlow-pass filter circuit

2.2.2 數(shù)字濾波器設(shè)計

數(shù)字濾波器采用有限長單位沖擊響應(yīng)(finite impulse response,FIR)濾波器。該濾波器結(jié)構(gòu)上采用非遞歸型，在幅度特性隨意設(shè)計的同時能夠保證精度嚴格的相位。微重力信號采用三軸測量，需要考慮信號相位的穩(wěn)定性。數(shù)字濾波器設(shè)定參數(shù)：通帶截止頻率為300 Hz；阻帶截止為400 Hz；通帶最大衰減Ap為0.3 dB；阻帶最小衰減As為72 dB,確定階數(shù)為112階。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與DSP信號控制邏輯

由加速度傳感器采集到四路模擬信號經(jīng)檢測調(diào)理后，輸入到16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD976。芯片具有三態(tài)輸出特性，其端口與數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)相連接的控制信號端口共用電平轉(zhuǎn)換器件。 在實際應(yīng)用中，采用AGND和DGND共地方式可提高模數(shù)轉(zhuǎn)換精度。采用TI公司TM320VVC33的DSP構(gòu)成最小系統(tǒng)[5]。轉(zhuǎn)換信號R/C由DSP引腳XF0給出，/CS信號通過DSP同類引腳經(jīng)譯碼器、四路同步控制信號通過邏輯“與”給出模數(shù)轉(zhuǎn)換前，判斷內(nèi)部空、托狀態(tài)引腳(BUSY)為DPS查詢AD976轉(zhuǎn)換是否結(jié)束提供依據(jù)。

AD976模數(shù)轉(zhuǎn)換器外圍電路如圖5所示。

圖5 AD976模數(shù)轉(zhuǎn)換器外圍電路Fig.5 AD976 ADC peripheral circuit

2.4 通信總線

空間微重力測量儀有兩種通信方式：①內(nèi)部采用串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)通信完成數(shù)據(jù)和指令的傳輸，執(zhí)行指令任務(wù)；②外接口采用1394總線通信。

控制單元采用DSP+現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)設(shè)計架構(gòu)完成數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸，以及數(shù)據(jù)傳輸單元的主控功能。SPI通信模式采用RS-422電平。該接口可實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信作用[6]。

①內(nèi)部通信。微重力測量儀的數(shù)字信號處理器模塊與數(shù)據(jù)傳輸單元間采用四線制SPI協(xié)議進行通信。數(shù)字信號處理器模塊與數(shù)據(jù)傳輸單元間的信號傳輸采用RS-422電平，通過總線驅(qū)動器和總線接收器實現(xiàn)內(nèi)部通信。

②1394總線通信。微重力測量儀總線通信結(jié)構(gòu)如圖6所示。該結(jié)構(gòu)主要由雙DSP與FPGA處理器構(gòu)成。SMJ320F2812處理器負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸運控管理和1394鏈路管理。FPGA主要負責(zé)接口時序調(diào)整，將外部總線接口時序調(diào)整為符合DSP外部接口的時序。DSP通過FPGA提供的接口，對1394芯片進行寄存器配置和數(shù)據(jù)收發(fā)[7-8]。

圖6 微重力測量儀總線通信結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Microgravity meter bus communication structure diagram

3 軟件實現(xiàn)

微重力測量儀主任務(wù)流程如圖7所示。

圖7 微重力測量儀主任務(wù)流程圖Fig.7 Main task flowchart of microgravity meter

空間微重力測量儀通過軟件完成各控制單元指令和數(shù)據(jù)流傳輸。軟件由三部分組成，包括主數(shù)據(jù)采集和處理(總線信號處理器)軟件、數(shù)據(jù)傳輸單元主控軟件和數(shù)據(jù)傳輸接口處理邏輯軟件。該軟件可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、通信信號傳輸與控制、外部1394通信模塊邏輯接口電路以及內(nèi)部SPI通信接口電路的功能。

①主控軟件完成信號采集、濾波、數(shù)據(jù)處理及通信等功能。

②數(shù)據(jù)傳輸單元軟件完成的主要功能：實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸單元接口自身處理邏輯、接口與平臺系統(tǒng)處理邏輯、接口之間處理邏輯；完成數(shù)據(jù)通信控制和管理；完成平臺指令響應(yīng)處理功能、時間碼的管理、SPI通信指令(指令中包含接口處理邏輯件FPGA、1394通信軟件內(nèi)容)功能。數(shù)據(jù)傳輸接口處理邏輯軟件實現(xiàn)雙DSP之間的通信：主DSP通過SPI協(xié)議實現(xiàn)發(fā)送指令；從DSP受FPGA控制單元授權(quán)從DSP，按2 ms指令周期性地與主DSP進行數(shù)據(jù)交互和響應(yīng)，從而實現(xiàn)工參傳輸平臺等功能。

③主控軟件完成數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)管理、隊列管理、工作模式管理、指令解析管理、時鐘管理及SPI管理等功能。軟件的核心是AD軟件管理、SPI管理及數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理用于實現(xiàn)模擬量采集、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)統(tǒng)計預(yù)處理、數(shù)據(jù)組包等功能。這些都是測試系統(tǒng)中比較重要的軟件設(shè)計內(nèi)容。

④1394通信軟件實現(xiàn)的功能包括DSP對1394鏈路芯片的訪問、SPI通信的周期控制、向控制單元發(fā)送指令、數(shù)據(jù)讀寫、異步數(shù)據(jù)接口傳輸、等時通道數(shù)據(jù)測試等。

⑤1394總線邏輯軟件實現(xiàn)的功能為：上電后初始化，并在2 s內(nèi)正常工作；完成自守時；建立握手通信，執(zhí)行指令、定時向主控單元校時；轉(zhuǎn)發(fā)指令或采集通信狀態(tài)等。

微重力測量儀內(nèi)部SPI通信流程如圖8所示。

圖8 微重力測量儀內(nèi)部SPI通信流程圖Fig.8 Flowchart of SPI communicationin microgravity meter

4 數(shù)據(jù)分析及準確性比對

微重力測量儀受地面重力加速度及系統(tǒng)測量誤差等諸多因素影響，選擇合適標定方法對測量及誤差的修正特別重要。測量儀采用動靜態(tài)標定方法：靜態(tài)標定采取三種軸向獲得標度因數(shù)和偏值；動態(tài)標定采取全頻段正弦脈沖激勵與標準計量相比對偏差修正。通過修改擬合曲線偏值進行校正，從而最大限度使測量值更接近實際值[9]。校正內(nèi)容包括：對噪聲干擾影響信號幅值；因傳感器溫漂引起有效值偏離真實值、靜態(tài)標定中取樣少精度低的問題；安裝引起位置偏差。

采用立方鏡激光測量法與系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)結(jié)果比對，發(fā)現(xiàn)各軸重力影響誤差均不超過2×10-4g，遠小于測量精度誤差1×10-3g，從而驗證了標定方法的正確性[10]。

對該測量儀進行地面與空間環(huán)境測量值比對和總結(jié)。

①地面測試情況。

空間實驗室地面穩(wěn)定工況下(2017-5-10 10:23:48)微重力水平如表1所示。

表1 空間實驗室地面穩(wěn)定工況下微重力水平

②在軌測測試。

在運行在距地面約300 km近地軌道運行62天(2016-11-7 11:16:47)?？臻g實驗室在軌穩(wěn)定工況下微重力水平如表2所示。表2中：數(shù)據(jù)包總數(shù)為5 392 114。

表2 空間實驗室在軌穩(wěn)定工況下微重力水平

分析結(jié)果表明：X1的通道地面測量與在軌測量數(shù)據(jù)相比，平均值偏差絕對值為0.522 mg；X2的通道地面測量與在軌測量數(shù)據(jù)相比，均值偏差絕對值為0.628 mg；不確定性均不超過0.34 mg;標差值相對誤差不超過0.7 mg數(shù)量級。除地面Z軸處于飽和狀態(tài)無法與在軌數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)比較外，其他測量誤差均在設(shè)計指標范圍內(nèi)，且標定參數(shù)設(shè)定更科學(xué)合理。

5 結(jié)論

本文通過闡述研制空間微重力測量儀的過程，測量空間實驗室在軌飛行的重力加速度，對開展的各項微重力實驗的微重力水平進行實時監(jiān)測，為實驗艙內(nèi)開展的空間科學(xué)實驗提供微重力水平參考依據(jù)。通過嵌入式設(shè)計、標定實驗修正擬合參數(shù)、不同工況實測數(shù)據(jù)比對法、綜合誤差分析法來提高測量精度等研究，為空間實驗室正常在軌運行提供保障。通過綜合評估，測量儀具有高分辨率，其接口傳輸具有通信速率快、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應(yīng)快等特點。在此基礎(chǔ)上，新型微重力測量儀拓闊了新的領(lǐng)域：微振動測量、照相機空間清晰成像和其他重大科研項目領(lǐng)域。這一技術(shù)的成功應(yīng)用，也為測量領(lǐng)域及相關(guān)領(lǐng)域的研究及產(chǎn)品工程化研制提供了有力的支撐和借鑒。