李 剛, 程 博, 崔 娟, 張成飛, 鄭永秋, 郝曉劍, 薛晨陽(yáng)

(1. 中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051; 2. 內(nèi)蒙航天動(dòng)力機(jī)械測(cè)試所, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010076)

0 引 言

航天器地面測(cè)試作為研制和總裝過程的重要環(huán)節(jié), 扮演了整器加電測(cè)試前的輔助、 測(cè)試過程中關(guān)鍵狀態(tài)控制、 重要信號(hào)測(cè)量的角色, 以獲取被測(cè)航天器定性、 定量的參數(shù)信息, 并進(jìn)行相應(yīng)的處理和評(píng)定[1-3]。 目前, 航天器地面測(cè)試主要為非同步的有線測(cè)量, 難以滿足多種過載環(huán)境參量的同步采樣要求, 并且存在線纜繁冗、 維護(hù)困難、 傳輸距離有限的缺點(diǎn)。 多過載環(huán)境參量同步采集可分析時(shí)域下參量之間的狀態(tài)關(guān)系, 無線傳輸可以滿足測(cè)試設(shè)備快速布設(shè)與遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨? 對(duì)于航天器地面測(cè)試的可靠性、 有效性、 便攜性具有重要意義。

韓海安等[4]開發(fā)了一種多通道同步采樣系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了低比差與低相差采集的功能。 安金坤等[5]分析了航天器地面無線測(cè)試中微多普勒頻移引起測(cè)試鏈路中斷的現(xiàn)象, 提出采用天線分集技術(shù)改善無線測(cè)試鏈路的傳輸質(zhì)量的方法; 王飛[6]實(shí)現(xiàn)了航天器數(shù)據(jù)采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議, 采用多種方式降低了通信延遲; 陳明璽等[7]采用三軸加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)了工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 完成了單參量遠(yuǎn)程低速無線采集與數(shù)據(jù)傳輸; 吳進(jìn)等[8]仿真了LoRa物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所支持的高速GFSK通信方案, 驗(yàn)證了LoRa與GFSK調(diào)制動(dòng)態(tài)切換的可行性。

針對(duì)當(dāng)前航天器地面測(cè)試中缺乏面向過載環(huán)境的雙參量同步采集與高速無線傳輸系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種環(huán)境參量進(jìn)行遠(yuǎn)距離、 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問題, 本文提出一種集成高速率無線傳輸及雙通道同步采集功能的地面環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 為多參量、 遠(yuǎn)距離的航天器地面測(cè)試提供了技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)組成

本文面向航天器地面測(cè)試中過載環(huán)境的雙參量同步采集與無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的構(gòu)成部分有: 數(shù)據(jù)采集與無線轉(zhuǎn)發(fā)器、 無線接收器、 上位機(jī)人機(jī)交互軟件, 該系統(tǒng)各部分組成如圖1 所示。 基于地面測(cè)試環(huán)境的加速度和壓力過載參量同步傳輸?shù)囊? 設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的雙通道同步采樣硬件電路。 根據(jù)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸需求, 定義了無線傳輸協(xié)議, 建立了面向遠(yuǎn)距離無線電(Long Range Radio, LoRa)的無線傳輸和面向高速率的高斯頻移鍵控(Gauss frequency Shift Keying, GFSK)的無線傳輸兩種模式, 使壓力與向心加速度傳感參量同步無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī), 完成顯示與存儲(chǔ)。 同時(shí), 設(shè)計(jì)了閃存(Flash EEPROM Memory, Flash)模塊, 備份無線通信前端設(shè)備中的檢測(cè)數(shù)據(jù), 保證無線通信功能異常時(shí)數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。 上位機(jī)讀取無線接收器對(duì)應(yīng)端口號(hào)的數(shù)據(jù), 完成數(shù)據(jù)的顯示、 繪圖、 統(tǒng)計(jì)、 存儲(chǔ)等功能。

1.2 數(shù)據(jù)采集與無線轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與無線轉(zhuǎn)發(fā)器完成系統(tǒng)主要的功能。 壓力與加速度傳感器將測(cè)得的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電量信號(hào), 再由調(diào)理濾波電路轉(zhuǎn)化為0～5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào), 最終由雙通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)同步轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào), 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片通過高速串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface, SPI)與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 時(shí)統(tǒng)信號(hào)為不同測(cè)試單元之間統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)[9], 信號(hào)類型為數(shù)字量輸入, 與設(shè)備預(yù)留的數(shù)字量輸入構(gòu)成數(shù)字量輸入模塊。 工作狀態(tài)輸出用于向地面測(cè)試系統(tǒng)的中央控制室反饋設(shè)備工作狀態(tài), 與同樣為數(shù)字量的預(yù)留數(shù)字量輸出構(gòu)成數(shù)字量輸出模塊。 數(shù)字量的輸入輸出部分增加光電耦合電路進(jìn)行隔離, 對(duì)于數(shù)字量輸入增加高壓輸入限幅電路, 防止高壓輸入造成設(shè)備損壞。 FPGA與Flash閃存芯片通過高性能 I/O 操作的異步數(shù)據(jù)接口完成通信。 無線通信模塊與FPGA采用UART接口協(xié)議通信, 具有使用簡(jiǎn)單、 無需時(shí)鐘信號(hào)等優(yōu)勢(shì)。 程序下載電路采用標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)合測(cè)試工作組(Joint Test Action Group, JTAG)接口, 可以通過上位機(jī)進(jìn)行程序下載與程序在線調(diào)試。 FPGA的異步串口通信協(xié)議采用TTL電平, 使用通信協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為RS-232通信協(xié)議的通信電平, 完成與上位機(jī)的有線通信。

1.3 無線接收器設(shè)計(jì)

無線接收器完成數(shù)據(jù)與命令的接收與發(fā)送。 無線接收器與上位機(jī)采用通用串行總線(Universal Serial Bus2.0, USB2.0)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互, 同時(shí)USB接口為無線接收器供電, 以簡(jiǎn)化無線接收器電路設(shè)計(jì)。 無線通信模塊需要穩(wěn)定的供電電壓及電流, USB2.0的供電能力為5 V@500 mA, 理論上可以滿足無線接收器的電能需求, 但實(shí)際情況中存在傳輸線纜線損, 即傳輸線纜存在壓降。 為解決供電電壓降低導(dǎo)致無線通信模塊傳輸性能下降的問題, 在無線接收器供電末端采用DC/DC升壓模塊進(jìn)行升壓, 保證無線通信模塊的最佳性能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)針對(duì)航天器地面測(cè)試中過載環(huán)境下的壓力與向心加速度雙通道同步采集的要求, 選用基于MEMS工藝的加速度傳感器[10]與電阻應(yīng)變式壓力傳感器[11]。 數(shù)據(jù)采集與無線轉(zhuǎn)發(fā)器安裝在被測(cè)設(shè)備或旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)上, 設(shè)計(jì)與選型兼顧小體積、 低重量, 降低對(duì)被測(cè)設(shè)備的影響。 無線通訊中頻率高的電磁波在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送更多的波, 具有更高傳輸速率的同時(shí)傳輸距離會(huì)隨之下降, 綜合考慮選擇2.4 GHz的通信頻率。

2.1 雙通道同步A/D采樣模塊設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)搭載航天器進(jìn)行地面測(cè)試, 采集旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)的向心加速度及航天器的壓力可以計(jì)算航天器的推力。 依據(jù)有線測(cè)量所間接獲取的壓力與加速度的歷史數(shù)據(jù)可知, 旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)的加速度小于30 g, 壓力傳感器測(cè)試位置的最大壓強(qiáng)小于20 MPa, 壓力與加速度信號(hào)的頻率小于2 kHz。

航天器地面測(cè)試需要同步實(shí)時(shí)獲取壓力與向心加速度的數(shù)據(jù), 并且分析數(shù)據(jù)間的關(guān)系。 因此, 需要在同一時(shí)刻對(duì)上述兩個(gè)參量進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)采樣。 雙通道同步A/D采樣模塊電路圖如圖2 所示。

圖2 雙通道同步A/D采樣模塊電路圖Fig.2 Circuit diagram of dual-channel synchronous A/D sampling module

系統(tǒng)采用具有雙通道同步采樣功能的ADS8353芯片, 其AD轉(zhuǎn)換位數(shù)為16 b, 最大采樣速率為600 kSPS, 具有±2.5最低有效位與89 dB信噪比[12]。 然而, 受到功率、 相位角或阻抗等參數(shù)影響, 雙通道同步采樣過程仍會(huì)存在信號(hào)抖動(dòng)。 高采樣率可降低信號(hào)抖動(dòng)[13], 且目標(biāo)信號(hào)頻率小于2 kHz, 本設(shè)計(jì)采用30 kSPS的采樣速率, 在滿足數(shù)據(jù)通信速率的前提下, 實(shí)現(xiàn)高精度同步采樣。 采用TLV272輸入與輸出軌對(duì)軌運(yùn)算放大器搭建電壓跟隨器, 擴(kuò)大輸入與輸出電壓范圍。R20與C35,R33與C43組成RC濾波電路, 截止頻率的1/5為4 517.3 Hz, 信號(hào)頻率小于該頻率時(shí)有良好的低通濾波特性, 滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 無線通信模塊設(shè)計(jì)

無線通信模塊為雙工通信, 數(shù)據(jù)傳輸方向?yàn)閿?shù)據(jù)采集與無線轉(zhuǎn)發(fā)器到無線接收器, 命令傳輸方向與此相反。 由于采用全雙工通信會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸速率, 因此, 選用半雙工通信, 既可以滿足雙向通信需求, 也能保證較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。 系統(tǒng)采用E28-2G4T27SX無線通信模塊, 其電路圖如圖3 所示。M0,M1,M2為無線通信模塊的工作模式選擇, 串口完成數(shù)據(jù)與命令的交互。

圖3 無線通信模塊電路圖Fig.3 Wireless communication module circuit diagram

選用的無線通信模塊的最大發(fā)射功率為27 dBm, 支持LoRa, FLRC, GFSK調(diào)制模式, 支持高速連續(xù)傳輸, 理想條件下的通信距離達(dá)7 km[14]。 該模塊主控芯片為SX1281, 采用UART串口與FPGA通信, 工作頻段為2.4 GHz～2.5 GHz。

2.3 Flash存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

本地存儲(chǔ)作為備份的存儲(chǔ)方式, 可有效提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性。 Flash存儲(chǔ)具有優(yōu)異的性能、 高效的存儲(chǔ)密度、 較大的存儲(chǔ)容量。 因此, 選用鎂光公司生產(chǎn)的MT29F64G08AFAAA型號(hào)存儲(chǔ)顆粒, 其內(nèi)部具有兩個(gè)獨(dú)立的邏輯控制單元, 閃存陣列使用基于頁(yè)面的操作進(jìn)行編程和讀取, 并使用基于塊的操作進(jìn)行擦除[15]。 該Flash芯片通過5個(gè)控制信號(hào)與高性能 I/O實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)接口, 即用高度復(fù)用的 8 b總線來傳輸命令、 地址和數(shù)據(jù), 精簡(jiǎn)了外部的連接。 Flash芯片有定義的引腳, 直接連接FPGA通用引腳, 完成通信連接, 在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視引腳R/B與R/B2接入1 K的上拉電阻, 達(dá)到抗干擾的目的。

2.4 有線通信模塊設(shè)計(jì)

有線通信作為無線通信出現(xiàn)故障之后的備用通信模式, 主要功能為無線通信失效后讀取Flash芯片中的數(shù)據(jù), 通信速率與可靠性之間優(yōu)先考慮可靠性。 串行異步通信無需同步時(shí)鐘信號(hào), 節(jié)省硬件成本的同時(shí)便于長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳送, 選用廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制與數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的RS-232串行異步通信協(xié)議, 可滿足10 m內(nèi)有線通信需求。 串行異步通信協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片選用MAX3232, 由3 V～5.5 V直流電源供電, 速率可達(dá)250 kbit/s[16], 以其高可靠性廣泛應(yīng)用于工業(yè) PC、 數(shù)據(jù)中心和企業(yè)級(jí)聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域, 可完成TTL電平與RS-232電平的相互轉(zhuǎn)換。 數(shù)據(jù)采集與無線轉(zhuǎn)發(fā)器的有線通信電路設(shè)計(jì)如圖4(a)所示。

(a) TTL串口轉(zhuǎn)RS-232串口電路

無線接收器使用有線通信向上位機(jī)傳輸接收到的數(shù)據(jù)。 通用串行總線(USB)是一種廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的接口技術(shù), 具有傳輸速度更快, 支持熱插拔以及連接多個(gè)設(shè)備的特點(diǎn), 該接口也可為外接設(shè)備供電。 采用CH340E芯片實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB2.0的功能[17], 該芯片具有內(nèi)部晶振, 提供小巧的MSOP10封裝, 通信速率可達(dá)2 Mbps。 無線接收器的有線通信電路設(shè)計(jì)如圖4(b)所示。

2.5 數(shù)字量輸入輸出模塊設(shè)計(jì)

光電耦合模塊降低設(shè)備因靜電導(dǎo)致?lián)p壞的概率, 電路圖如圖5 所示。 輸入與輸出信號(hào)采用1 K的上拉電阻保持信號(hào)的穩(wěn)定。 輸入電壓設(shè)計(jì)為5 V, 流經(jīng)光耦的電流約為10 mA, 大于HCPL0631的導(dǎo)通電流。 輸入端使用LL4148開關(guān)二極管, 可以將靜電快速釋放, 防止后端電路受到損傷。 限流電阻R28與R36限制了流經(jīng)LL4148的電流, 防止尖峰電流對(duì)器件的損壞。

圖5 數(shù)字量輸入與輸出電路Fig.5 Digital input and output circuit

2.6 供電模塊設(shè)計(jì)

電源作為系統(tǒng)的“心臟”, 供給各個(gè)模塊運(yùn)行所需的能量, 供電質(zhì)量直接決定了設(shè)備運(yùn)行的性能。 傳輸線纜的壓降導(dǎo)致無線通信模塊傳輸性能下降, 無線接收器電源輸入端采用MP3414A開關(guān)電源芯片升壓, 保證無線通信模塊的最佳性能。 供電示意圖如圖6 所示, 電源芯片選型如表1 所示。

表1 電源芯片選型表Tab.1 Power supply chip selection table

圖6 供電示意圖Fig.6 Power supply schematic

無線傳輸?shù)墓╇娦璞M可能降低節(jié)點(diǎn)的能耗[18], 數(shù)據(jù)采集與無線轉(zhuǎn)發(fā)器采用開關(guān)電源與線性穩(wěn)壓源的方案, 搭建電源模塊, 以提高能量利用效率的同時(shí)降低電源紋波。 經(jīng)功耗分析儀系統(tǒng)測(cè)試, 峰值功耗小于1 W, 為減小設(shè)備體積與重量對(duì)被測(cè)設(shè)備的影響, 采用單節(jié)長(zhǎng)虹公司生產(chǎn)的耐低溫18 650鋰電池, 容量3 000 mAh、 最大持續(xù)放電電流3 A。 經(jīng)計(jì)算, 供電時(shí)長(zhǎng)大于10 h。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集與無線轉(zhuǎn)發(fā)器程序流程

FPGA的運(yùn)行邏輯為并行執(zhí)行, 信號(hào)協(xié)調(diào)各個(gè)實(shí)體之間的工作時(shí)序, 并觸發(fā)實(shí)體內(nèi)的進(jìn)程使其運(yùn)行, 依據(jù)系統(tǒng)工作過程繪制的程序流程圖如圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集與無線轉(zhuǎn)發(fā)器工作流程圖Fig.7 Data acquisition and wireless transponder workflow diagram

數(shù)據(jù)采集與無線轉(zhuǎn)發(fā)器在上電之后首先進(jìn)行初始化, 設(shè)置外設(shè)的初始狀態(tài), 完成各個(gè)變量與信號(hào)的復(fù)位, 使設(shè)備各部分成為確定的狀態(tài)。 初始化之后, 等待控制命令輸入, 命令解碼后進(jìn)行相應(yīng)的操作。 設(shè)備在使用之前, 需要手動(dòng)下達(dá)Flash初始化指令, 清除上一次實(shí)驗(yàn)所遺留的數(shù)據(jù)。

3.2 無線接收器程序流程

無線接收器在上電之后首先進(jìn)行初始化, 所實(shí)現(xiàn)的功能類同數(shù)據(jù)采集與無線轉(zhuǎn)發(fā)器。 初始化完成之后使能無線傳輸模塊與串口模塊, 無線傳輸模塊監(jiān)聽初始化過程中設(shè)置的信道, 將該信道的無線電波解調(diào)并解密, 解密后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在無線傳輸模塊內(nèi)部FIFO中, 通過串口發(fā)送到上位機(jī)。

3.3 無線數(shù)據(jù)分包格式

無線數(shù)據(jù)在傳輸過程中表現(xiàn)為數(shù)據(jù)流, 計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)后需要將收到的數(shù)據(jù)識(shí)別與分包, 提取數(shù)據(jù)流中具有特定含義的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。 同時(shí), 必須設(shè)置一個(gè)控制協(xié)議來規(guī)定數(shù)據(jù)的格式, 以便上位機(jī)能夠理解數(shù)據(jù)的意義[19]。 因此, 無線數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包格式與空間劃分如表2 所示。

表2 單包數(shù)據(jù)格式與空間劃分表Tab.2 Single packet data format and space division table

數(shù)據(jù)包的包頭作為數(shù)據(jù)包之間的分隔符, 每包數(shù)據(jù)分為4幀數(shù)據(jù), 每幀數(shù)據(jù)分為通道A與通道B的A/D數(shù)據(jù)。 無線數(shù)據(jù)流中步長(zhǎng)信息的占比高, 為提高數(shù)據(jù)流內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的占比, 將無線數(shù)據(jù)中個(gè)別數(shù)據(jù)幀的步長(zhǎng)信息進(jìn)行省略。 數(shù)據(jù)包中的步長(zhǎng)為第1幀數(shù)據(jù)的步長(zhǎng), 可由此計(jì)算得到本數(shù)據(jù)包中第2至4幀的步長(zhǎng)。 每4幀數(shù)據(jù)省略后3幀數(shù)據(jù)的步長(zhǎng)信息后, 在同等長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)流中, 檢測(cè)數(shù)據(jù)的字節(jié)占比是未省略之前的1.5倍, 提升了單位時(shí)間內(nèi)信息傳輸?shù)男省?數(shù)據(jù)包末尾為字加校驗(yàn)數(shù)值, 溢出的高位舍去。

3.4 上位機(jī)設(shè)計(jì)

采用Qt完成上位機(jī)軟件的開發(fā), 這是一款跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架, 允許真正的組件編程。 設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、 圖像繪制、 參數(shù)設(shè)置、 最值顯示等功能。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存。 圖像繪制具有圖像拖動(dòng)、 縮放的功能, 可以實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域的顯示。 參數(shù)設(shè)置可以進(jìn)行采樣數(shù)值與實(shí)際數(shù)值轉(zhuǎn)換的設(shè)置以及其他傳輸參數(shù)的設(shè)置。 最值顯示可以顯示該次實(shí)驗(yàn)的最大與最小檢測(cè)值。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 采樣性能測(cè)試

根據(jù)航天器地面測(cè)試實(shí)際的過載環(huán)境, 獲得待測(cè)環(huán)境參量的范圍。 采用ZQ-Y/6型電阻應(yīng)變式壓力傳感器與MEMS加速度傳感器分別進(jìn)行1 MPa～20 MPa與1 g～30 g過載環(huán)境參量的數(shù)據(jù)采集, 經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)化為頻率小于2 kHz的0～10 V與0～5 V電壓輸出的電信號(hào)。 標(biāo)準(zhǔn)壓力由CV-600T活塞式壓力計(jì)產(chǎn)生。 加速度測(cè)試在實(shí)際測(cè)試平臺(tái)完成, 設(shè)備安裝情況如圖8 所示。

圖8 測(cè)試環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.8 Test environment site layout

采用CV-600T活塞式壓力計(jì)產(chǎn)生1 MPa～20 MPa的壓力, 取多個(gè)測(cè)試點(diǎn)完成3次重復(fù)實(shí)驗(yàn), 每次隨機(jī)取10個(gè)測(cè)量值, 計(jì)算數(shù)據(jù)的平均值。 測(cè)量負(fù)載距旋轉(zhuǎn)中心的半徑, 設(shè)定旋轉(zhuǎn)平臺(tái)角速度, 待旋轉(zhuǎn)平臺(tái)穩(wěn)定后, 隨機(jī)取10個(gè)測(cè)量值, 計(jì)算平均值, 重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次。 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后, 采用最小二乘法完成數(shù)據(jù)的擬合, 擬合曲線如圖9 所示。

圖9 加速度與壓強(qiáng)檢測(cè)結(jié)果曲線擬合圖Fig.9 Curve fit of acceleration and pressure detection results

傳感器檢測(cè)與模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程中存在誤差, 系統(tǒng)在1 MPa～20 MPa與1 g～30 g的工作范圍內(nèi), 檢測(cè)壓力的誤差約為0.19%, 檢測(cè)加速度的誤差約為0.16%, 滿足檢測(cè)需求。

4.2 同步采樣性能測(cè)試

旋轉(zhuǎn)臺(tái)與活塞式壓力計(jì)無法使傳感器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)信號(hào), 4.1采樣性能測(cè)試章節(jié)證明了系統(tǒng)靜態(tài)精度指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求, 因此, 采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)信號(hào)模擬傳感器的輸出信號(hào), 檢驗(yàn)系統(tǒng)同步采樣過程中動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測(cè)的性能。 信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一路含有偏置電壓的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào), 同步采樣通道A與通道B同步采集該信號(hào), 并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT計(jì)算, 得出兩通道信號(hào)頻率。 取相同時(shí)刻的采樣點(diǎn)100個(gè), 計(jì)算通道A與通道B之間差值的標(biāo)準(zhǔn)差, 以確定接收的數(shù)據(jù)是否滿足雙通道同步采樣的要求。 改變輸入信號(hào)頻率與幅值, 重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到不同頻率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 同步采樣測(cè)試結(jié)果表Tab.3 Synchronous sampling test results table

由表3 可知, 采樣過程存在信號(hào)抖動(dòng), 信號(hào)源頻率的提升導(dǎo)致偏差增大, 在設(shè)計(jì)的頻帶范圍內(nèi), 雙通道采樣數(shù)據(jù)的信號(hào)頻率相同且差值的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.12, 滿足同步采樣的要求。

采樣頻率與信號(hào)頻率的差值越小, 模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)于信號(hào)的干擾越嚴(yán)重。 當(dāng)采樣頻率保持一定時(shí), 隨著輸入信號(hào)頻率的提升, 系統(tǒng)的采樣誤差增加至0.366%, 動(dòng)態(tài)精度指標(biāo)滿足需求。

4.3 存儲(chǔ)性能測(cè)試

待存儲(chǔ)完成后, 發(fā)送Flash讀取命令, 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取到上位機(jī)中存儲(chǔ), 對(duì)比該數(shù)據(jù)與無線傳輸接收的數(shù)據(jù), 計(jì)算無線傳輸過程中數(shù)據(jù)的接收率與誤碼率。 改變單次試驗(yàn)數(shù)據(jù)量并進(jìn)行多次驗(yàn)證, 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4 所示。

表4 Flash模塊存儲(chǔ)與讀取測(cè)試結(jié)果表Tab.4 Flash module storage and read test results table

數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)與讀取的過程中存在隨機(jī)丟包, 系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取的綜合準(zhǔn)確率大于98%, 傳輸協(xié)議過濾不完整的數(shù)據(jù)包, 采樣頻率具有冗余, 因此滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

4.4 無線傳輸測(cè)試

數(shù)據(jù)采集與無線轉(zhuǎn)發(fā)器向外傳輸確定數(shù)值與數(shù)量的數(shù)據(jù)流。 接收器在預(yù)定地點(diǎn)接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)至上位機(jī)中, 統(tǒng)計(jì)接收到數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù), 記錄此時(shí)的傳輸距離。 在不同傳輸距離、 空中速率等條件下, 測(cè)得無線數(shù)據(jù)傳輸情況如表5 所示。 無線電波受空間環(huán)境的干擾產(chǎn)生錯(cuò)包與丟包, 無線數(shù)據(jù)傳輸在各個(gè)測(cè)試條件下的準(zhǔn)確率均大于96.5%, 傳輸協(xié)議過濾錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包, 無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有冗余, 因此滿足無線傳輸需求。

表5 無線數(shù)據(jù)傳輸情況表Tab.5 Table of wireless data transmission

4.5 上位機(jī)測(cè)試

使用通道A與通道B同時(shí)采樣1路標(biāo)準(zhǔn)信號(hào), 數(shù)據(jù)無線傳輸至上位機(jī), 分別顯示通道A與通道B的波形并保存數(shù)據(jù)。 經(jīng)過測(cè)試與數(shù)據(jù)分析, 上位機(jī)設(shè)計(jì)符合預(yù)期要求。 上位機(jī)界面顯示如圖10 所示。

圖10 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)顯示界面Fig.10 The real-time display interface of the upper computer data acquisition

5 結(jié) 論

本研究提出的面向航天器地面測(cè)試的雙參量同步采集與無線傳輸系統(tǒng), 采用基于FPGA的雙通道同步A/D采集設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)無線傳輸與本地存儲(chǔ)模塊, 對(duì)無線數(shù)據(jù)傳輸分包協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化, 實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離LoRa和高速率GFSK兩種無線傳輸模式。 經(jīng)測(cè)試, 系統(tǒng)滿足動(dòng)態(tài)信號(hào)的檢測(cè)與實(shí)時(shí)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)要求。 系統(tǒng)在1 kbps的最低傳輸速率下, 可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.2 km的傳輸距離; 在2 Mbps的最高傳輸速率下, 可實(shí)現(xiàn)0.5 km的無線傳輸。 信號(hào)源頻率在4 kHz以內(nèi), 可實(shí)現(xiàn)包括向心加速度和壓力的雙過載參量的同步采集。 該雙參量同步采集與無線傳輸系統(tǒng)滿足了數(shù)據(jù)同步采集的要求, 同時(shí)具有遠(yuǎn)距離、 高準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)墓δ? 能夠用于航天器地面測(cè)試與遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。