小型遙測數(shù)據(jù)采集存儲裝置設(shè)計(jì)

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

0 引言

運(yùn)載火箭飛行試驗(yàn)是運(yùn)載火箭研制過程中的重要環(huán)節(jié)，在飛行試驗(yàn)中，通過遙測系統(tǒng)采集記錄火箭飛行試驗(yàn)中的工作狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)而評估火箭的各種技術(shù)指標(biāo)。

隨著航天技術(shù)的迅速發(fā)展，對運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力提出了更高的要求。運(yùn)載火箭外形尺寸和體積的增大，以及捆綁助推器等新狀態(tài)，導(dǎo)致運(yùn)載火箭遙測參數(shù)的數(shù)量和采樣率都有了較大增長[1]。對于成熟型號運(yùn)載火箭，為改進(jìn)載荷能力，需要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測量，從而為后續(xù)性能改進(jìn)提供工程數(shù)據(jù)，這就需要對遙測數(shù)據(jù)波道進(jìn)行調(diào)整。而現(xiàn)有測量波道已趨于飽和，如對已有數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行更改會涉及到多個(gè)技術(shù)狀態(tài)變化，不適用于高密度發(fā)射形勢。對于新增測量需求，可將部分無實(shí)時(shí)性要求的測量參數(shù)通過存儲器的形式事后獲得，與無線傳輸方式相比，該種方式具有系統(tǒng)架構(gòu)簡單、獲取數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)點(diǎn)，在飛行器飛行試驗(yàn)中具備廣泛的應(yīng)用[2]。

針對運(yùn)載火箭不同技術(shù)狀態(tài)下新增參數(shù)的測量需求，本文設(shè)計(jì)一種具備存儲功能的小型數(shù)據(jù)采集裝置。該裝置對運(yùn)載火箭飛行過程中的多路參數(shù)進(jìn)行采集并存儲，待回收后可通過專用測試設(shè)備對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并分析。該種測試方法獨(dú)立于現(xiàn)有遙測系統(tǒng)，不占用現(xiàn)有遙測系統(tǒng)波道，并具有設(shè)計(jì)簡便、可回收、體積小、可靠性高等特點(diǎn)，可推廣應(yīng)用于多種型號運(yùn)載火箭飛行試驗(yàn)過程中的參數(shù)測量，為運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)改進(jìn)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集記錄裝置測量需求如下：

1)測量路數(shù)：16路，包含4路2 kHz的速變信號，以及頻率不大于15 Hz的12路緩變信號；

2)信號類型：幅值為0～5 V，采樣精度為8位；

3)測量時(shí)間：不大于200 s。

根據(jù)測量需求，設(shè)計(jì)原理如圖1所示。數(shù)據(jù)采集記錄裝置由電源板和主控板組成。其中，28 V電源由電池提供，電源板將28 V電源濾波后轉(zhuǎn)換成主控板所需電壓；主控板負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)采集、編幀和存儲任務(wù)。

主控板以FPGA為控制核心，控制模擬開關(guān)及AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行傳感器信號的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲至存儲芯片中。為與系統(tǒng)時(shí)標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一，使用起飛信號作為數(shù)據(jù)采集存儲動作的啟動指令。為提高數(shù)據(jù)存儲的可靠性，在主控板上設(shè)置2塊完全相同的存儲芯片，互為備份，同時(shí)存儲，確保在回收時(shí)，當(dāng)其中一個(gè)出現(xiàn)故障，另一個(gè)存儲芯片能保證數(shù)據(jù)的完整回讀。

數(shù)據(jù)采集記錄裝置與測試設(shè)備之間設(shè)置數(shù)據(jù)回讀接口，在數(shù)據(jù)回收時(shí)，接收測試設(shè)備命令，將測試數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)回讀接口傳輸?shù)綔y試設(shè)備進(jìn)行分析。

圖1 數(shù)據(jù)采集記錄裝置原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片選型

FPGA具有功能集成度高、邏輯資源豐富、可重復(fù)編程、速度快、效率高、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本產(chǎn)品選用Xilinx公司生產(chǎn)的XC3S500E型芯片作為控制芯片來完成整機(jī)的功能和時(shí)序控制，該芯片具備豐富的邏輯資源，融合了RAM和用戶I/O，適用于大規(guī)模時(shí)序電路的開發(fā)和設(shè)計(jì)[3]。

上電初始化完成后，F(xiàn)PGA周期性從其內(nèi)部RAM中讀出幀格式信息。通過幀格式數(shù)據(jù)設(shè)置，可以更改不同信號的采樣頻率，產(chǎn)生模擬開關(guān)以及AD控制信號，將采集到的信號按幀格式編幀，存儲至FLASH芯片，并提供芯片數(shù)據(jù)的回收讀數(shù)以及擦除功能。

2.2 AD及模擬開關(guān)選擇

16路傳感器信號經(jīng)模擬開關(guān)進(jìn)行依次選通，接入到AD轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸至FPGA進(jìn)行存儲和處理。模擬開關(guān)的切換由FPGA控制，在FPGA內(nèi)部設(shè)置幀格式，F(xiàn)PGA根據(jù)幀格式順序依次打開模擬開關(guān)，對選通的相應(yīng)路數(shù)的模擬信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。通過改寫幀格式數(shù)據(jù)，可對待測信號的采樣頻率以及采樣順序進(jìn)行控制。

模擬開關(guān)選用AD公司的ADG1206，該芯片由±15 V供電，可對16路輸入信號進(jìn)行切換，典型切換時(shí)間為80 ns，且封裝小，有利于產(chǎn)品的小型化設(shè)計(jì)[4]。AD轉(zhuǎn)換芯片選用AD7892-1，該芯片具備12位分辨率，轉(zhuǎn)換速率為500 ksps，輸入信號范圍為-5～+5 V，自帶參考電壓模塊[5]。為保證采樣精度，選用精度以及穩(wěn)定度更高的外部參考源AD845作為AD7892參考電壓端的外部輸入。為保證阻抗匹配，模擬開關(guān)輸出端通過電壓跟隨器LM110連接到AD芯片輸入端。

圖2 AD轉(zhuǎn)換原理框圖

2.3 存儲芯片選擇

常用的非易失性存儲芯片有E2PROM、NorFlash、NandFlash等，其中E2PROM的寫入速度較慢，NandFlash需要特殊的控制接口和軟件算法，均不適合本數(shù)據(jù)采集記錄裝置的應(yīng)用。設(shè)計(jì)中選用Atmel公司的AT25DF641，該芯片為SPI型FLASH，具有引線少、接口簡單、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。芯片存儲容量為64 Mbit(8MByte)，單字節(jié)典型編程時(shí)間為7 μs，單頁(256Bytes)最大編程時(shí)間為3 ms。芯片在使用前需執(zhí)行擦除操作，擦除操作可按扇區(qū)、塊或整片執(zhí)行，芯片的擦除壽命為10萬次[6]。由于擦除操作耗時(shí)較長，設(shè)計(jì)時(shí)在寫入操作前先進(jìn)行整片F(xiàn)LASH的擦除。AT25DF641電原理圖見圖3。

圖3 存儲芯片電原理圖

2.4 數(shù)據(jù)回讀接口設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)回讀接口用于在回收時(shí)讀取FLASH中的數(shù)據(jù)，并可以在數(shù)據(jù)采集時(shí)對FLASH狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，以及通過測試設(shè)備對數(shù)據(jù)采集記錄裝置發(fā)出指令進(jìn)行控制。硬件接口采用RS422模式，接口原理圖見圖4。電路設(shè)計(jì)中，對于輸入信號，采用120 Ω終端匹配電阻來進(jìn)行阻抗匹配，并添加1 KΩ的上下拉電阻，當(dāng)輸入信號處于未連接或意外斷開的狀態(tài)時(shí)，接收端有固定的差分輸入電壓。對于輸出信號，為避免輸出端意外短路，串接10 Ω的保護(hù)電阻。RS422電路具備較強(qiáng)的抗共模干擾能力，信號容差性好，且接口協(xié)議可自定義，在多種數(shù)據(jù)通信場合得到廣泛應(yīng)用[7]。

圖4 RS422接口原理圖

2.5 電源模塊設(shè)計(jì)

電源板為整機(jī)供電，28 V一次電源經(jīng)電磁濾波器EMI濾波后，輸入至16～40 V寬輸入開關(guān)電源DC/DC模塊，產(chǎn)生控制板所需的二次電源±15 V及+5 V。

EMI濾波器用在電源模塊的輸入端，其主要作用是抑制DC/DC的開關(guān)噪聲對電源母線產(chǎn)生干擾，同時(shí)抑制DC/DC端的共模和差模干擾，以及對內(nèi)部DC/DC進(jìn)行防過壓和防過流保護(hù)。DC/DC模塊為換流模塊的核心電路，主要功能是將一次電源28 V電壓，隔離后轉(zhuǎn)換成測量系統(tǒng)所需要的±15 V以及+5 V電壓，同時(shí)功率與電壓輸出品質(zhì)滿足系統(tǒng)負(fù)載使用要求。根據(jù)負(fù)載評估結(jié)果及電源品質(zhì)輸出要求，同時(shí)選擇成熟可靠廠家產(chǎn)品，采用Interpoint公司的DC/DC芯片。該公司DC/DC芯片同時(shí)具備短路保護(hù)、輸入輸出電氣隔離、以及耐50 V瞬時(shí)沖擊的特性，成熟度較高，經(jīng)過國內(nèi)外多發(fā)飛行試驗(yàn)的考核。

3 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集記錄裝置的軟件功能主要包括：根據(jù)起飛信號到來時(shí)間，以及幀格式要求，控制模擬開關(guān)及A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行模擬信號采集，將采集到的數(shù)據(jù)存儲至FLASH中；通過RS422接口接收測試設(shè)備命令，在回收后，讀取FLASH中存儲的數(shù)據(jù)。軟件功能框圖見圖5。

圖5 軟件功能框圖

3.1 幀格式設(shè)計(jì)

根據(jù)對測量需求的分析，需采集的信號包括4路2 kHz的速變信號，以及12路緩變信號。根據(jù)采樣定理，為保證采樣質(zhì)量，采樣頻率至少為信號頻率的2倍，同時(shí)考慮到FLASH芯片AD25DF641的頁編程字節(jié)數(shù)為256，為此設(shè)計(jì)如下幀格式：

1)副幀長度：50；子幀長度：10；全幀字?jǐn)?shù)：500；

2)字長：8 bits，碼速率：200000 bps(25 K Byte/s)；

3)副幀采樣率：50 Hz；子幀采樣率：2.5 kHz；

4)測量時(shí)間：200 s，總數(shù)據(jù)量：5 M Bytes。

其中，每路速變信號占2個(gè)子幀，采樣率為5 kHz。緩變信號在每個(gè)副幀中采樣一次，采樣率為50 Hz。同時(shí)，在幀格式中添加幀同步標(biāo)識以及幀計(jì)數(shù)，防止丟幀以及誤幀情況。

為節(jié)省硬件空間，幀格式數(shù)據(jù)放置于FPGA內(nèi)部。FPGA在進(jìn)入采集模式后，周期性地從幀格式存儲空間讀取通道號和通道類型，根據(jù)類型產(chǎn)生不同的時(shí)序。通道類型包括待采信號、幀同步、幀計(jì)數(shù)以及空波道等。當(dāng)信號采集需求發(fā)生變化時(shí)，通過更改幀格式數(shù)據(jù)文件即可實(shí)現(xiàn)不同采樣率的控制。

3.2 模擬開關(guān)及A/D轉(zhuǎn)換控制

由于模擬開關(guān)的切換需要一定的穩(wěn)定時(shí)間，軟件設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留足夠的時(shí)間，保證模擬開關(guān)穩(wěn)定以后，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

A/D芯片AD7892轉(zhuǎn)換時(shí)序見圖6，在CONVST信號的上升沿，采樣保持器進(jìn)入保持狀態(tài)，并開始A/D轉(zhuǎn)換。經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間tCONV后，EOC信號輸出負(fù)脈沖表明轉(zhuǎn)換結(jié)束。當(dāng)CS、RD信號有效，經(jīng)過t6時(shí)間后，即可在數(shù)據(jù)總線上獲得12位數(shù)據(jù)。12位數(shù)據(jù)全部送入FPGA，可根據(jù)采樣精度需求，選取相應(yīng)位數(shù)進(jìn)行編幀。本設(shè)計(jì)為8位字長，且由于輸入的模擬信號為0～5 V，故選取第11至第4位進(jìn)行存儲。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換軟件時(shí)序圖

3.3 FIFO選擇

根據(jù)對幀格式的分析，每幀數(shù)據(jù)大小為500字節(jié)，時(shí)長為20 ms。對FLASH存儲芯片AT25DF641進(jìn)行寫操作時(shí)，需要寫控制字、寫數(shù)據(jù)和編程，這些都需占據(jù)一定時(shí)間。在此期間采集的數(shù)據(jù)是連續(xù)不斷送來的，需要使用FIFO進(jìn)行緩存，否則會丟失該時(shí)間段內(nèi)的參數(shù)。為得到最快的寫FLASH速率，選用頁編程模式，每次可對256 Bytes的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程，最大頁編程時(shí)間為3 ms，設(shè)計(jì)時(shí)選用512 Bytes的FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩存?；谙到y(tǒng)集成化的考慮，選用FPGA內(nèi)部FIFO，充分利用了FPGA強(qiáng)大的資源，減小了系統(tǒng)體積，同時(shí)節(jié)省硬件成本[8]。

3.4 FLASH控制

對FLASH芯片AT25DF641的操作包括擦除、寫操作以及讀操作。對于寫操作來說，在每次編程前要先進(jìn)行寫使能，允許對芯片進(jìn)行編程操作，然后發(fā)送頁編程命令、地址以及需要寫到FLASH中的數(shù)據(jù)。頁編程命令時(shí)序圖見圖7。AD25DF641可自動檢測、報(bào)告編程或擦除失敗，在編程結(jié)束時(shí)可通過讀相關(guān)寄存器來查詢編程是否成功，如沒有編程成功，則將該頁地址寫入FLASH特定地址，供回收數(shù)據(jù)時(shí)參考。

圖7 FLASH頁編程時(shí)序圖

4 可靠性及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集記錄裝置需要經(jīng)過硬回收，工作環(huán)境惡劣，如高沖擊過載、高溫、高壓等，易對內(nèi)部電子器件造成損害[9]。數(shù)據(jù)采集記錄裝置在落地硬回收的過程中，一方面因與地面撞擊，會產(chǎn)生巨大的撞擊力，需要對殼體進(jìn)行抗高過載防護(hù)設(shè)計(jì)；另一方面，因數(shù)據(jù)采集記錄裝置在隨艙段飛行過程中，具有較高的動態(tài)性能，對其內(nèi)部電路產(chǎn)生較大的慣性作用力，因此需要在殼體內(nèi)部設(shè)置多層緩沖材料，并對印制板進(jìn)行灌膠處理。

通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電裝工藝，確保產(chǎn)品可耐受大劑量沖擊應(yīng)力，確保隨火箭箭體墜落至地面時(shí)產(chǎn)品不損壞，從而可靠回收數(shù)據(jù)。

4.2 軟件可靠性設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)在回收后需要進(jìn)行分析，對飛行過程中的重要參數(shù)進(jìn)行還原。所以應(yīng)保證數(shù)據(jù)采集記錄裝置工作的穩(wěn)定、可靠[10]。設(shè)計(jì)時(shí)采用以下技術(shù)：

1)位置標(biāo)識技術(shù)：每幀數(shù)據(jù)為500 Bytes，F(xiàn)LASH芯片AT25DF641每頁包含256 Bytes，因此在存儲時(shí)把每幀數(shù)據(jù)均分為2塊，在每一塊數(shù)據(jù)的末尾加上6個(gè)字節(jié)的位置信息，記錄本塊數(shù)據(jù)的具體位置，在數(shù)據(jù)回收時(shí)可方便的進(jìn)行參數(shù)的恢復(fù)，避免由于外界干擾導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。

2)FLASH分頁存儲技術(shù)：每幀數(shù)據(jù)占據(jù)的存儲空間為2頁，軟件在進(jìn)行到寫數(shù)據(jù)模式時(shí)，先順序檢測每頁是否有數(shù)據(jù)，如有則跳至下一頁地址，直至跳轉(zhuǎn)至空白頁進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入。這樣一方面保證不會覆蓋已寫入的數(shù)據(jù)，另一方面避免頻繁的對FLASH芯片初始地址的頁面進(jìn)行操作，造成芯片損壞。

3)冗余設(shè)計(jì)：為提高數(shù)據(jù)存儲的可靠性，在主控板上設(shè)置2塊完全相同的存儲芯片，互為備份，同時(shí)存儲，確保在回收時(shí)，其一出現(xiàn)故障，另一個(gè)存儲芯片保證數(shù)據(jù)的完整回讀。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

數(shù)據(jù)采集記錄裝置以“起飛”信號為起點(diǎn)開始記錄數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)時(shí)標(biāo)起點(diǎn)統(tǒng)一。當(dāng)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)結(jié)束后，從數(shù)據(jù)采集記錄裝置中回收數(shù)據(jù)，以起飛信號作為起點(diǎn)，結(jié)合幀格式來繪制波形，可以得到16路傳感器信號在200 s內(nèi)的變化趨勢。

為驗(yàn)證測試數(shù)據(jù)采集記錄裝置的功能性能，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了原理樣機(jī)，使用測試設(shè)備模擬傳感器信號，包括正弦波、方波、三角波等。數(shù)據(jù)采集記錄裝置對上述波形進(jìn)行采集，結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)回收，并用上位機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行波形繪制，輸入及輸出波形見圖8?？梢姡瑪?shù)據(jù)采集記錄裝置中存儲的數(shù)據(jù)未見異常，與測試設(shè)備輸出波形一致。

圖8 測試波形圖

6 結(jié)論

本文介紹了一種具備存儲功能的遙測數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計(jì)方法及其可靠性設(shè)計(jì)。該裝置可對多路信號進(jìn)行采集、編幀及存儲，并在數(shù)據(jù)存儲時(shí)采用了位置標(biāo)識、分區(qū)存儲、冗余設(shè)計(jì)等技術(shù)，能夠可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲及回收分析，為后續(xù)運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了有效數(shù)據(jù)支持。該裝置設(shè)計(jì)靈活，節(jié)省了無線信道帶寬，提高了運(yùn)載火箭數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性與可靠性，以低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的方式解決了現(xiàn)有遙測波道余量不足的問題，具有一定的推廣價(jià)值。