空間原子氧探測(cè)器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高青松　景春妍　陶　院　陸登柏　蔣炳軍　崔　陽(yáng)

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州　730000)

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空間原子氧探測(cè)器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高青松景春妍陶院陸登柏蔣炳軍崔陽(yáng)

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730000)

原子氧是低地球軌道中對(duì)航天器影響最為嚴(yán)重的環(huán)境因素之一。原子氧通量測(cè)量是研究原子氧效應(yīng)與防護(hù)工作的基礎(chǔ)，是評(píng)估航天器材料和部件(空間原子氧)使用壽命的重要參數(shù)。石墨膜傳感器可用于空間原子氧通量的測(cè)量。針對(duì)石墨膜傳感器，設(shè)計(jì)了一種信號(hào)檢測(cè)與數(shù)據(jù)采集電路，用于傳感器輸出信號(hào)的檢測(cè)與調(diào)理、信號(hào)模數(shù)變換、數(shù)據(jù)采集、處理以及測(cè)量狀態(tài)的控制。測(cè)試表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度高，具有適合空間環(huán)境應(yīng)用的特點(diǎn)。

原子氧探測(cè)器數(shù)據(jù)采集信號(hào)檢測(cè)DSPA/D轉(zhuǎn)換傳感器

0　引言

原子氧是低地球軌道殘余大氣的主要成分。原子氧的密度不是很大(105～109cm-3左右)，溫度也不是很高(1 000～1 500 K左右)。衛(wèi)星的高速飛行，增大了原子氧對(duì)衛(wèi)星表面材料的撞擊能量(約5 eV)及通量密度。如在300 km軌道高度，原子氧的年積分通量達(dá)到1022atoms/cm2。即使在400 km的軌道，航天器迎風(fēng)面的原子氧年積分通量[1]也達(dá)到了1021atoms/cm2。原子氧是極強(qiáng)的氧化劑，會(huì)對(duì)衛(wèi)星表面材料或器件產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化剝蝕作用，是衛(wèi)星表面材料或器件退化的主要因素之一。因此，進(jìn)行原子氧空間飛行探測(cè)試驗(yàn)，為低地球軌道航天器環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，對(duì)我國(guó)低地球軌道航天器長(zhǎng)壽命、高可靠技術(shù)發(fā)展具有非常重要的意義[2]。

空間原子氧探測(cè)器主要由石墨膜傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)處理軟件三部分組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)石墨膜傳感器信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理、信號(hào)數(shù)據(jù)采集與處理、探測(cè)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及總線通信功能，配合嵌入式軟件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的工作模式切換、啟動(dòng)測(cè)量、探測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。

1　組成與工作原理

石墨膜為電阻型原子氧傳感器，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)[3]，其工作原理是利用原子氧對(duì)石墨材料的氧化作用，使石墨氧化生成CO或CO2氣體后揮發(fā)，使得石墨膜的厚度變薄，石墨電阻值增加。由電阻變化可推算出石墨體積的變化，用下式表示：

(1)

式中：ΔV為被原子氧剝蝕掉的石墨膜體積,cm3;W為石墨膜的寬度，cm;L為石墨膜的長(zhǎng)度，cm;τ0為石墨膜采樣前的厚度，cm;R0為石墨膜采樣前的電阻，Ω;R為石墨膜采樣后的電阻，Ω。

原子氧剝蝕的石墨體積是一定的，因此，通過(guò)體積變化又可推算出石墨膜經(jīng)受的原子氧通量，由下式表示：

(2)

將式(2)代入式(1)，可得：

(3)

石墨膜傳感器工作原理如圖1所示。

圖1　石墨膜傳感器工作原理圖

通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量石墨電阻變化量以及對(duì)應(yīng)時(shí)間，就可計(jì)算軌道上一定時(shí)間的原子氧密度以及原子氧年積分通量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)字信號(hào)處理器電路、信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路、有源低通濾波電路、模數(shù)變換電路、存儲(chǔ)器電路、通信接口電路、二次電源變換電路以及嵌入式軟件等部分組成。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)構(gòu)成框圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作模式為：在系統(tǒng)上電后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，星務(wù)計(jì)算機(jī)下發(fā)測(cè)量啟動(dòng)指令，然后系統(tǒng)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)傳輸。連續(xù)測(cè)量一定時(shí)間后，星務(wù)計(jì)算機(jī)下發(fā)測(cè)量停止指令，系統(tǒng)停止測(cè)量工作，轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài)。

2　 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路

根據(jù)石墨膜傳感器的電阻輸出特性，信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路基準(zhǔn)源可采取電壓型和電流型兩種方案，其電路原理如圖3所示。

圖3(a)中:Ra、Rb、Rd為石墨膜固定參考電阻，Rc為石墨膜敏感測(cè)量電阻。參考電阻與敏感測(cè)量電阻材質(zhì)相同，具有相同的溫度系數(shù)。根據(jù)原子氧通量密度測(cè)試范圍109～1015atoms/cm2/s，可得電阻變化為3～30 kΩ。圖3(a)中：Ra、Rb、Rc、Rd的初始電阻值為3 kΩ，原子氧剝蝕后Rc增大為30 kΩ，變化量為27 kΩ。

圖3　檢測(cè)與調(diào)理電路原理圖

電橋輸出電壓的表達(dá)式為:

(4)

設(shè)剝蝕前4個(gè)起始電阻為R0，剝蝕后電阻變化量為ΔR，將R0和ΔR代入式(1)，可得：

(5)

由式(5)可以看出，當(dāng)R0遠(yuǎn)大于ΔR時(shí)，輸出非線性較小;但當(dāng)R0遠(yuǎn)小于ΔR時(shí),非線性將很大。因此，無(wú)論電壓型基準(zhǔn)源電路輸出的電壓非線性大小，非線性都完全存在。同時(shí)，如果調(diào)理電路不放置在探頭內(nèi)部，會(huì)因遠(yuǎn)距離產(chǎn)生線路損耗使基準(zhǔn)源電壓衰減或受到干擾，使信號(hào)誤差增大。

根據(jù)圖3(b)、式(4)和式(5)，可以列出電流源型電路輸出電壓的表達(dá)式為:

Uout=IrefΔR

(6)

由式(6)可看出，采用電流源基準(zhǔn)源方案，其優(yōu)點(diǎn)為輸出線性，不受傳輸距離限制，兩路電流由同一電流源產(chǎn)生，一致性好，不需要溫補(bǔ)，在數(shù)據(jù)處理和標(biāo)定時(shí)更為方便。設(shè)計(jì)采用B-B公司電流源REF200構(gòu)成的檢測(cè)電橋，其輸出基準(zhǔn)電流為200μA，電流精度為±0.25%，溫漂為25×10-6/℃[4]，電源電壓輸入為2.5～40V,后接由放大器AD620構(gòu)成的測(cè)量放大電路。信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路如圖4所示。

圖4　信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路示意圖

根據(jù)電阻變化，電橋輸出差分電壓為0～5.4V，儀表放大器AD620的增益[5]取為62kΩ，即放大1.8倍后，輸出電壓為0～10V。兩路基準(zhǔn)電流由同一器件輸出，電流源產(chǎn)生的最大電流誤差為1μA，換算成電阻測(cè)量誤差為135Ω，電阻測(cè)量誤差最大為0.5%。由于四個(gè)橋臂傳感器按照同一工藝制作，且初始狀態(tài)和所處環(huán)境相同，因此能夠消除因溫度變化而產(chǎn)生的漂移誤差。

2.2有源低通濾波器

當(dāng)?shù)孛鏈y(cè)試時(shí)，為抑制50Hz工頻干擾時(shí)原子氧探測(cè)器測(cè)量精度的影響，在測(cè)量放大電路后增加一級(jí)有源低通濾波器。采用1級(jí)2階切比雪夫低通濾波器，運(yùn)算放大器采用OP07，截止頻率設(shè)計(jì)為17Hz[6]。低通濾波器電路原理如圖5所示，其幅頻特性見(jiàn)圖6。

圖5　低通濾波器電路原理圖

圖6　低通濾波器幅頻特性曲線圖

2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換及DSP電路

石墨膜傳感器待測(cè)電阻為四個(gè)通道，狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)為兩個(gè)通道，因此共需采集六個(gè)通道模擬量信號(hào)。采用16位模數(shù)變換器AD976、低導(dǎo)通電阻模擬開(kāi)關(guān)ADG528以及運(yùn)放OP07構(gòu)成電壓跟隨器構(gòu)成的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[7]。AD976接口電路原理如圖7所示。

采用TI公司型號(hào)為TMS320VC33的DSP構(gòu)成最小系統(tǒng)[8]。其接口電路主要包括：時(shí)鐘電路、看門狗電路、存儲(chǔ)器電路以及總線驅(qū)動(dòng)電路等，設(shè)計(jì)采用RS-422接口驅(qū)動(dòng)器件DS26C31和DS26C31與DSP串口連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[9]。

圖7　AD976接口電路原理圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的功能是完成對(duì)石墨膜傳感器電阻信號(hào)和狀態(tài)遙測(cè)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、組包和存儲(chǔ)，接收RS-422總線通信口的指令數(shù)據(jù)，進(jìn)行工作模式選擇、探測(cè)數(shù)據(jù)以及狀態(tài)遙測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)送。系統(tǒng)程序流程如圖8所示。

圖8　系統(tǒng)程序流程圖

軟件由以下幾個(gè)部分組成。

①初始化。探測(cè)器入軌后系統(tǒng)供電，當(dāng)DSP上電運(yùn)行時(shí)，通過(guò)引導(dǎo)程序(BootLoader)將可執(zhí)行程序從片外程序存儲(chǔ)器內(nèi)裝載入DSP內(nèi)部RAM后運(yùn)行，完成DSP各寄存器、全局變量以及軟件各模塊等參數(shù)的初始設(shè)置，然后進(jìn)入主程序。

②主程序。該程序用于完成石墨膜傳感器信號(hào)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)的通道切換控制、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)組包存儲(chǔ)等，數(shù)據(jù)處理包括數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)單位轉(zhuǎn)換處理[8-10]。

③外部中斷處理程序。該程序用于完成總線指令的接收、處理以及探測(cè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

④定時(shí)器中斷程序。該程序用于完成本地時(shí)鐘自走時(shí)和廣播校時(shí)處理。

4　測(cè)試結(jié)果

在蘭州空間技術(shù)物理研究所原子氧地面模擬試驗(yàn)室，對(duì)石墨膜傳感器進(jìn)行了原子氧剝蝕試驗(yàn)，第一通道測(cè)試結(jié)果如圖9所示。采用直流多值精密電阻箱對(duì)探測(cè)器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，第一通道測(cè)試結(jié)果如表1所示，其他通道測(cè)試結(jié)果相似。

圖9　第一通道測(cè)試結(jié)果示意圖

標(biāo)準(zhǔn)電阻/kΩ實(shí)測(cè)值/kΩ測(cè)量誤差/%1.00.9970.303.02.9880.406.76.6920.109.99.9020.0210.09.9980.0220.019.9970.02

5　結(jié)束語(yǔ)

石墨型空間原子氧探測(cè)器可以探測(cè)空間試驗(yàn)室、空間站等航天器運(yùn)行在300～400km的低地球軌道高度時(shí)，原子氧密度對(duì)航天器表面材料產(chǎn)生的剝蝕效應(yīng)，從而判定航天器表面材料的使用壽命。研制的空間原子氧探測(cè)器數(shù)據(jù)采集單元的電阻測(cè)量范圍為3～30kΩ，測(cè)量誤差小于0.4%，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能與性能要求。后續(xù)將開(kāi)展地面階段的空間環(huán)境適應(yīng)性考核試驗(yàn)(力學(xué)、熱學(xué)等)，為探測(cè)器實(shí)現(xiàn)空間在軌應(yīng)用和開(kāi)展我國(guó)原子氧環(huán)境空間飛行試驗(yàn)技術(shù)研究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，滿足我國(guó)長(zhǎng)壽命航天器環(huán)境可靠性技術(shù)發(fā)展的需求。

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Design and Implementation of the Data Acquisition System for Detector of Atomic Oxygen in Space

Atomic oxygen (AO) is one of the most severe environment factors affecting spacecraft in low earth orbit (LEO)．The measurement of atomic oxygen flux is the foundation in the study of effects of atomic oxygen and related defense work,and it is an important parameter for evaluating the lifetime of spacecraft components and materials．Graphite film sensor can be used to measure the flux of atomic oxygen in space,based on it,a type of signal detection and data acquisition circuitry is designed for detecting,conditioning,and A/D converting of the output signal of sensor,as well as collecting and processing data and controlling measuring status.The results of the practical tests show that the system provides precise data acquisition accuracy and has suitable characteristics used in space environment.

Atomic oxygen(AO)DetectorData acquisitionSignal detectionDigital singnal processor(DSP)A/D conversionSensor

高青松(1983—)，男，2008年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電氣工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要研究方向?yàn)榭臻g環(huán)境探測(cè)載荷信號(hào)測(cè)量技術(shù)、嵌入式技術(shù)。

TH7;TP216+.1

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201609025

修改稿收到日期：2016-03-17。