孫日明,文 帥,劉修廷,沙心國(guó),陳 星
( 中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院,北京 100074)
眾所周知,模型飛行試驗(yàn)與風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬是空氣動(dòng)力學(xué)研究的三大手段,國(guó)際學(xué)術(shù)與工程界的普遍做法就是三大手段相結(jié)合[1]。模型飛行試驗(yàn)的試驗(yàn)條件為真實(shí)飛行環(huán)境,對(duì)于高超聲速基礎(chǔ)科學(xué)問題研究、驗(yàn)證和改進(jìn)地面試驗(yàn)方法與計(jì)算方法以及天地相關(guān)性研究等方面不可或缺[2]。近年來,模型飛行試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)外持續(xù)開展,如美國(guó)與澳大利亞合作的HIFiRE計(jì)劃[3],國(guó)內(nèi)中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的MF-1飛行試驗(yàn)[2,4-5]等。
模型飛行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)獲取方法可分為無線遙測(cè)與回收遙測(cè)兩種。無線遙測(cè)因其較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、較寬的適用范圍等優(yōu)點(diǎn)在航天飛行試驗(yàn)應(yīng)用最為廣泛,然而其缺點(diǎn)也很明顯:在無線遙測(cè)“黑障區(qū)”,遙測(cè)數(shù)據(jù)無法進(jìn)行通信;信道容量有限,大于5 Mbit/s的速變參數(shù)無法傳輸[6]?;厥者b測(cè)將數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)設(shè)備安裝于模型內(nèi)部,試驗(yàn)結(jié)束后通過回收存儲(chǔ)器的方式實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)參數(shù)的回收處理[7]。由于數(shù)據(jù)的傳輸與外界環(huán)境無關(guān),不存在黑障問題;同時(shí)由于總線帶寬足夠,可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)地記錄所有測(cè)量參數(shù)。在模型飛行試驗(yàn)中,常采用兩種數(shù)據(jù)獲取方法相結(jié)合的方式。
模型飛行試驗(yàn)的首要任務(wù)便是完整可靠地獲取飛行過程中的所有數(shù)據(jù),因此作為回收遙測(cè)的核心設(shè)備,采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能格外重要。20世紀(jì)70年代末航天領(lǐng)域首次應(yīng)用固態(tài)記錄器作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的載體,近年來,該領(lǐng)域進(jìn)入快速發(fā)展軌道[8]。國(guó)外以美國(guó)、歐洲的商業(yè)公司為代表,如CALCULEX公司專門從事飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器研發(fā)和生產(chǎn),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率高、存儲(chǔ)容量大,數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)40 MB/s。國(guó)內(nèi)方面,中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)航天科技集團(tuán)702所、中北大學(xué)等科研院所研制的各類型固態(tài)存儲(chǔ)裝置已成功應(yīng)用于神州系列飛船、嫦娥衛(wèi)星等重大項(xiàng)目中[9]。
綜合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀,從科研牽引到商業(yè)應(yīng)用,雖然產(chǎn)品眾多,但仍然缺少專門針對(duì)模型飛行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)。現(xiàn)有模式基本都是先確定模型飛行試驗(yàn)所需使用傳感器及配套單機(jī)的種類、數(shù)目,再進(jìn)行定制化開發(fā),響應(yīng)周期從半年到一年不等,不能滿足模型飛行試驗(yàn)快速響應(yīng)的需求。由于氣動(dòng)測(cè)試的獨(dú)特性,各類傳感器還需搭配體積不等的信號(hào)變換器以實(shí)現(xiàn)信號(hào)匹配及采集,增加了系統(tǒng)復(fù)雜度,也使得在模型空間有限的條件下不能更多地進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置,降低了單次試驗(yàn)獲取有效數(shù)據(jù)的種類和數(shù)目。模型飛行試驗(yàn)的測(cè)試與風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試類型類似,需要大量壓力、熱流、溫度等傳感器以及壓力掃描閥、FADS等專用設(shè)備,有其獨(dú)特性,現(xiàn)有設(shè)備難以很好滿足。因此開發(fā)一款針對(duì)模型飛行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng),針對(duì)專用傳感器進(jìn)行定制化測(cè)量、存儲(chǔ),對(duì)于提高測(cè)試精度、提高系統(tǒng)可靠性具有重要意義。
本數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),各模塊之間采用板間連接器總線方式連接,便于模塊維修和更換。系統(tǒng)構(gòu)架示意圖如圖1所示。飛行試驗(yàn)用模塊化采集器由多層板卡堆疊而成,其外形尺寸一致,方便擴(kuò)展。
圖1 采集存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)圖
以某次模型飛行試驗(yàn)配置為例,該系統(tǒng)由電源模塊、主控模塊、熱流采集板卡(兩塊)、熱電偶采集模塊、壓力采集模塊、應(yīng)變采集板卡、存儲(chǔ)模塊組成。
電源模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)采集設(shè)備進(jìn)行供電,它會(huì)將彈載的總電壓進(jìn)行調(diào)理、轉(zhuǎn)換,從而為其他模塊提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的供電電源。同時(shí)該模塊還將完成對(duì)于零點(diǎn)觸發(fā)信號(hào)的采集調(diào)理,并且?guī)в?路RS422,可完成各類422信號(hào)的數(shù)據(jù)交互。主控模塊則用于控制采集模塊的采集、傳輸,并將信號(hào)數(shù)據(jù)整合、編碼后通過LVDS發(fā)送給雙備份的存儲(chǔ)模塊。除此之外,主控模塊還負(fù)責(zé)完成與上位機(jī)的通信,通信方式包括LAN傳輸與RS422傳輸。采集模塊用于調(diào)理、放大、采集各傳感器信號(hào),并為傳感器提供如恒流源、電壓供電等功能,同時(shí),采集模塊內(nèi)帶有PT100,可以完成對(duì)板內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。存儲(chǔ)模塊用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ),數(shù)據(jù)通過主控板的LVDS接口傳輸至存儲(chǔ)板后,會(huì)存至SD卡內(nèi),回讀方式可選擇通過LVDS接口回傳,也可通過USB接口來實(shí)現(xiàn)??紤]到設(shè)備落地沖擊,存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)獨(dú)立防護(hù)并進(jìn)行灌封。
如圖2所示,電源模塊主要負(fù)責(zé)完成電源管理、RS422傳輸、外觸發(fā)功能。RS422電路采用了隔離設(shè)計(jì),輸入端與輸出端分別使用不同的電源和地,輸入端的電源來自于主控板轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的3.3 V電壓及數(shù)字地,而輸出端的電源則是422芯片產(chǎn)生的隔離電壓及信號(hào)地。
該模塊最關(guān)鍵的作用是完成彈載電源的濾波、轉(zhuǎn)換、隔離,從而為整個(gè)采集系統(tǒng)提供穩(wěn)定、安全的電源。模塊接收到來自彈上的28 V電源后,會(huì)首先經(jīng)過EMI濾波電路,其目的是要抑制系統(tǒng)電源內(nèi)的高頻干擾,經(jīng)濾波后的28 V電源將通過板級(jí)連接器J80為采集模塊進(jìn)行供電,與此同時(shí),該電壓還會(huì)經(jīng)過隔離電源器件,轉(zhuǎn)換產(chǎn)生+5 V電壓,該電壓將作為主控模塊的供電電壓。整個(gè)系統(tǒng)所接收的時(shí)統(tǒng)信號(hào),也是通過該模塊來完成觸發(fā)及防抖的。
如圖3所示,主控模塊負(fù)責(zé)完成采集模塊的AD數(shù)據(jù)、電源模塊RS422數(shù)據(jù)(遙測(cè)、飛行姿態(tài)數(shù)據(jù))和觸發(fā)信號(hào)整理、打包、解析、發(fā)送到存儲(chǔ)等操作,是整個(gè)采集設(shè)備的核心控制單元。該模塊具有1路RS422隔離通道、2路LVDS存儲(chǔ)接口,以及1路LAN接口,用于完成與上位機(jī)、存儲(chǔ)模塊的通信。
彈載供電系統(tǒng)提供的+28 V經(jīng)過電源模塊內(nèi)的EMI濾波器濾波、電源轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生+5 V電壓,該電壓經(jīng)過J80板級(jí)連接器為主控模塊進(jìn)行供電。主控模塊則會(huì)在板內(nèi)對(duì)供電電壓進(jìn)行調(diào)理轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生主芯片F(xiàn)PGA及外圍控制芯片的各類供電電壓。
溫度采集模塊用于熱電偶型溫度傳感器和同軸熱電偶熱流傳感器的信號(hào)獲取,由于模型飛行試驗(yàn)中均采用E型熱電偶,故而采用相同的設(shè)計(jì)架構(gòu)。對(duì)于信號(hào)范圍不同導(dǎo)致采集電壓范圍不同的情況,只需調(diào)整增益放大電阻及引出外供電電壓即可完成硬件調(diào)整,后續(xù)對(duì)于不同功能的實(shí)現(xiàn),完全借助于軟件程序的編寫。
如圖4所示,該模塊具有40個(gè)采集通道,每通道最高采樣率為100 kHz。外部傳感器模擬信號(hào)經(jīng)連接器J14H進(jìn)入采集系統(tǒng)后,經(jīng)板卡前端調(diào)理放大,進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過隔離器件后,又通過板間總線連接器J80進(jìn)入主控板,完成數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)等后續(xù)操作。為了實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償功能,在該類模塊設(shè)計(jì)中加入了兩路PT100測(cè)量電路。
壓力采集模塊用于動(dòng)態(tài)壓力傳感器、靜態(tài)壓力傳感器以及應(yīng)變傳感器等基于惠斯通電橋工作方式的傳感器信號(hào)采集。對(duì)于不同類型信號(hào)采集的實(shí)現(xiàn),只需調(diào)整增益放大電阻、GPIO分配電阻及引出外供電電壓即可完成硬件調(diào)整,后續(xù)對(duì)于不同功能的實(shí)現(xiàn),完全借助于軟件程序的編寫。
如圖5所示,該模塊具有16個(gè)采集通道,每通道最高采樣率為200 kHz,支持+2 V或+10 V外供電功能。外部傳感器模擬信號(hào)經(jīng)連接器J14H進(jìn)入采集系統(tǒng)后,經(jīng)板卡前端調(diào)理放大,進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過隔離器件后,又通過板間總線連接器J80進(jìn)入主控板,完成數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)等后續(xù)操作。
圖5 壓力采集模塊設(shè)計(jì)框圖
如圖6所示存儲(chǔ)模塊采用ARM處理器作為主控單元,與采集器通過LVDS接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,數(shù)據(jù)最大傳輸速度為25 MB/s,F(xiàn)LASH用于記錄程序指令,SD卡用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有2個(gè)獨(dú)立防護(hù)的存儲(chǔ)模塊,實(shí)現(xiàn)雙備份。地面測(cè)試模式下使用主控模塊的LAN接口及RS422接口獲取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后使用存儲(chǔ)模塊上的備用讀數(shù)接口回收數(shù)據(jù),備用讀數(shù)接口采用LAN接口進(jìn)行傳輸。存儲(chǔ)模塊帶有EXT4文件系統(tǒng),確保寫入數(shù)據(jù)的正確和完整性,防止寫入過程中掉電對(duì)數(shù)據(jù)造成的損壞和丟失。
圖6 存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)框圖
為了保障存儲(chǔ)模塊能夠耐受落地瞬間強(qiáng)大的加速度沖擊,在電路設(shè)計(jì)完成后需對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的防護(hù):電路板灌膠封裝后形成內(nèi)膽后裝入特殊設(shè)計(jì)的抗沖擊外殼,內(nèi)膽與外殼之間加入緩沖氈墊。
如圖7所示,PC端操作功能包括參數(shù)設(shè)置、啟動(dòng)采集、狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)解析構(gòu)成。在數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的測(cè)試階段和裝機(jī)聯(lián)調(diào)階段可以通過該系列命令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的功能控制、數(shù)據(jù)流控制以及分析。
圖7 上位機(jī)軟件功能框圖
如圖8所示,采集器上電后首先讀取FLASH中是否有進(jìn)入記錄指令,如果有則進(jìn)入記錄狀態(tài),所有采集信息將向存儲(chǔ)器中寫入,并由此開始不間斷記錄,直到上位機(jī)發(fā)送解除寫入狀態(tài)為止。否則進(jìn)入自檢,自檢完畢后等待上位機(jī)指令,同時(shí)向遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)送選編的信息。在接收到上位機(jī)發(fā)送的各項(xiàng)指令后,進(jìn)入相應(yīng)指令執(zhí)行流程。軟件設(shè)計(jì)了時(shí)統(tǒng)記錄通道,便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析。時(shí)統(tǒng)信號(hào)以飛控系統(tǒng)發(fā)送為準(zhǔn),為了增加時(shí)統(tǒng)信號(hào)的可靠性,同時(shí)檢測(cè)數(shù)字指令和模擬指令。為了有效區(qū)分測(cè)試數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行幀計(jì)數(shù)區(qū)分。只有接收到時(shí)統(tǒng)信號(hào)后,數(shù)據(jù)幀計(jì)數(shù)才自動(dòng)增加,否則全部置零。
存儲(chǔ)器軟件運(yùn)行于存儲(chǔ)器主控ARM芯片上,采用linux操作系統(tǒng),且?guī)в蠩XT4文件系統(tǒng),該文件系統(tǒng)在寫入數(shù)據(jù)的同時(shí)會(huì)記錄日志,并且日志本身具有自校驗(yàn)功能,確保寫入數(shù)據(jù)的正確和完整性,防止寫入過程中掉電對(duì)數(shù)據(jù)造成的損壞和丟失。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的邏輯設(shè)計(jì)對(duì)于試驗(yàn)任務(wù)完成更為關(guān)鍵,模型飛行試驗(yàn)過程中的所有數(shù)據(jù)均由其進(jìn)行保存,不能出現(xiàn)誤擦除、覆蓋、掉電重新上電后應(yīng)能自動(dòng)恢復(fù)記錄。
圖8 數(shù)據(jù)采集軟件功能框圖
如圖9所示設(shè)計(jì)了有限狀態(tài)機(jī)的工作模式:當(dāng)系統(tǒng)上電后進(jìn)行自檢,自檢完成后進(jìn)入數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)備狀態(tài),此時(shí)可響應(yīng)數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)回放、格式化、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等指令。當(dāng)接收到回放全部數(shù)據(jù)指令后,將存儲(chǔ)器中的所有文件按照約定的傳輸協(xié)議向上位機(jī)傳輸;當(dāng)收到回放當(dāng)前數(shù)據(jù)指令后,將最新一次存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件向上位機(jī)傳輸;當(dāng)接收到格式化存儲(chǔ)卡指令后,需兩層密碼驗(yàn)證操作,驗(yàn)證正確后才可進(jìn)行數(shù)據(jù)格式化,這樣可杜絕由于信號(hào)跳變引起的誤操作;當(dāng)接收到開始存儲(chǔ)指令后,進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式,此時(shí)將采集器打包發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次打包按照EXT4格式文件存儲(chǔ),此過程可由上位機(jī)發(fā)送停止存儲(chǔ)打斷。存儲(chǔ)主控當(dāng)接收到數(shù)據(jù)采集器的進(jìn)入記錄狀態(tài)并鎖定后,則不再響應(yīng)上述任何指令操作,僅進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄,且系統(tǒng)掉電重啟后仍按照設(shè)定方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),防止試驗(yàn)過程中因電壓波動(dòng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)異常。只有系統(tǒng)掉電重啟且接收解除記錄指令后,才可接收其他指令,進(jìn)行正常操作。
圖9 存儲(chǔ)器軟件功能框圖
設(shè)備開發(fā)完成后,按照《JJF 1048數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》分別對(duì)溫度采集模塊和壓力采集模塊進(jìn)行了嚴(yán)格的靜態(tài)校準(zhǔn)測(cè)試。如表1所示,溫度采集模塊量程為±50 mV,精度為0.2%F.S.;壓力采集模塊橋路供電電壓5 V,精度為0.1%,采集量程為±100 mV和±5 V兩種板卡,精度為0.2%F.S.。
表1 靜態(tài)精度測(cè)試結(jié)果
模型飛行試驗(yàn)過程中,設(shè)備經(jīng)歷的環(huán)境條件十分苛刻,因而對(duì)研制的設(shè)備進(jìn)行了大量的環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試,主要項(xiàng)目如表2所示。
表2 環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果
通過除列表中所述試驗(yàn)外,設(shè)備還進(jìn)行了低氣壓、電磁兼容等試驗(yàn),存儲(chǔ)器還進(jìn)行了高空跌落試驗(yàn)。
圖10所示為研制完成的模型飛行試驗(yàn)專用采集器和存儲(chǔ)器在某次地面測(cè)試過程中的配置情況。采集器具備溫度、熱流、壓力等數(shù)十通道模擬量采集和6路RS422數(shù)字信號(hào)采集功能;存儲(chǔ)器兩個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)單元各為32 GB空間,能夠在該采集配置條件下連續(xù)記錄30 min以上。
圖10 飛行試驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)圖
地面功能聯(lián)調(diào)主要包含以下步驟:設(shè)備上電自檢,通過地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;對(duì)傳感器施加模擬激勵(lì),觀察采集數(shù)據(jù)變化是否正常;發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指令,通過上位機(jī)查看存儲(chǔ)設(shè)備工作情況;發(fā)送數(shù)據(jù)回讀指令,查看數(shù)據(jù)回傳結(jié)果是否正常;開啟進(jìn)入存儲(chǔ)指令,等待飛控機(jī)模擬點(diǎn)火指令,并進(jìn)行記錄;試驗(yàn)結(jié)束后數(shù)據(jù)回讀測(cè)試,系統(tǒng)斷電重啟并將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回讀,與飛控機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證是否存在誤碼和丟幀。
經(jīng)多次地面模擬調(diào)試,系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確完成數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)功能,數(shù)據(jù)回放結(jié)果顯示所有數(shù)據(jù)完整記錄,沒有丟幀和誤碼。
該系統(tǒng)研制完成后,分別于2018年在某靶場(chǎng)進(jìn)行了兩次模型飛行試驗(yàn)任務(wù),采用火箭助推的方式實(shí)現(xiàn)所需試驗(yàn)窗口。試驗(yàn)?zāi)P桶惭b于火箭頭部,采集系統(tǒng)安裝于模型內(nèi)部。半年內(nèi)兩次試驗(yàn)兩次成功,所有數(shù)據(jù)獲取完整有效。
圖11給出了某次飛行試驗(yàn)采集的部分溫度數(shù)據(jù)共計(jì)4個(gè)測(cè)點(diǎn),分別位于模型壁面和各設(shè)備艙,數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)于考核設(shè)備隔熱措施具有重要參考價(jià)值。
圖11 某模型飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集結(jié)果
采用模塊化設(shè)計(jì)思路研制完成了適用于模型飛行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并于2018年在兩次氣動(dòng)模型飛行試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用,驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性和模塊化設(shè)計(jì)帶來的易擴(kuò)展、可維護(hù)和快速響應(yīng)能力。
該系統(tǒng)可針對(duì)不同試驗(yàn)需求進(jìn)行快速擴(kuò)展,滿足小型化、低成本氣動(dòng)模型飛行試驗(yàn)的需求,后續(xù)可繼續(xù)進(jìn)行更多類型傳感器模塊研制,并可研究針對(duì)數(shù)百通道測(cè)點(diǎn)需求進(jìn)行級(jí)聯(lián)擴(kuò)展。