多通道分布式航天器艙體健康數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

姜宇鵬 劉中偉 劉敏時(shí) 郭曉華 姜連祥

(1 山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264670)(2 山東工商學(xué)院，山東煙臺(tái) 264005)

近年來，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器的飛行速度及設(shè)計(jì)成本均大幅提高。為了幫助航天器設(shè)計(jì)人員綜合評(píng)價(jià)航天器設(shè)計(jì)及制造性能，通常需要在航天器內(nèi)部設(shè)計(jì)參數(shù)采集及自主健康管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集航天器在發(fā)射及飛行過程中的工程參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，并通過一系列自主控制算法提高在軌自主運(yùn)行效率，為航天器的健康狀態(tài)、故障模式判別及產(chǎn)品升級(jí)改造等提供科學(xué)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐[1-2]。高性能航天器既需要健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集通道數(shù)量多、采集精度高，又對(duì)其質(zhì)量和體積提出更加嚴(yán)苛的要求。

航天器長期工作于惡劣的太空環(huán)境，面臨著空間輻照、空間碎片撞擊、氣動(dòng)加熱等，未來可能還會(huì)在地面與太空之間多次往返，其中應(yīng)力交變、溫度交變及高頻振動(dòng)等健康數(shù)據(jù)反映著航天器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的疲勞、裂紋和屈曲程度，表面溫度、表面熱流、結(jié)構(gòu)應(yīng)變及振動(dòng)參數(shù)可通過航天器遙測下傳，方便地面對(duì)航天器服役期間的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測分析[3]。對(duì)于長線距離電阻量信號(hào)，文獻(xiàn)[4]中采用三線制方法采集熱敏電阻，并補(bǔ)償了接觸電阻及放大器漏電流的影響。文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)惠斯通電橋加兩級(jí)放大電路，與理論值線性擬合度為7.8‰。文獻(xiàn)[6]中將獲取的壓力傳感器陣列參數(shù)代入嵌入式飛行數(shù)據(jù)傳感(FADS)系統(tǒng)，無需依賴空氣動(dòng)力學(xué)模型就可以建立起輸入與輸出的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]中設(shè)計(jì)的飛行參數(shù)采集系統(tǒng)模擬量為71路，配合防毀記錄器存儲(chǔ)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)。這些傳統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)方法是配置多架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[8]，存在因采集通路集成度不高造成體積、質(zhì)量資源占比大的問題，因此工程應(yīng)用中需要集成度、可靠度、精度更高的力、熱信號(hào)工程參數(shù)測量設(shè)備。

本文采用多通道模塊化的設(shè)計(jì)思想，重新將航天器艙體各類健康數(shù)據(jù)信號(hào)整合為應(yīng)變信號(hào)、微弱電壓信號(hào)及高頻振動(dòng)信號(hào)，并設(shè)計(jì)控制管理模塊完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽谟行p小系統(tǒng)體積、質(zhì)量的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)92路高通量航天器健康傳感器的同步高精度采集，在工程應(yīng)用中能夠占用最小資源對(duì)航天器艙體的力、熱參數(shù)完成實(shí)時(shí)采集下傳，可為航天器優(yōu)化迭代設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

1 艙體健康數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

目前，航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在輕量化與高強(qiáng)度矛盾，尤其是在發(fā)射上升段和長期在軌階段航天器合金狀態(tài)、力熱參數(shù)的實(shí)時(shí)記錄，各類傳感器需要遍布艙體各處并同步采集?？紤]到質(zhì)量、體積的資源占比情況，采集精度越高、采集通道越多，其工程應(yīng)用價(jià)值也越高，因此需要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)能夠適應(yīng)不同傳感器的多通道分布式健康數(shù)據(jù)采集方案，如圖1所示。

注：LVDS為低壓差分信號(hào)。圖1 健康數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)Fig.1 Scheme design of health data acquisition

常用的健康監(jiān)測傳感器包括結(jié)構(gòu)應(yīng)變片、溫度熱流傳感器及振動(dòng)頻率傳感器。其中：主要采集艙體結(jié)構(gòu)應(yīng)變幅度的電阻式應(yīng)變片信號(hào)變化范圍為[345 Ω,355 Ω]；表征艙體各點(diǎn)溫度、表面熱流及表面溫度的電壓式傳感器變化范圍為[-25 mV,+75 mV]；環(huán)境震顫引起的艙體結(jié)構(gòu)振動(dòng)量由振動(dòng)傳感器輸出并且進(jìn)行高頻采集。健康數(shù)據(jù)采集方案通過將原結(jié)構(gòu)應(yīng)變、溫度及振動(dòng)信號(hào)分別采集的獨(dú)立單機(jī)進(jìn)行集成整合，完成對(duì)上述3類傳感器輸入信號(hào)的調(diào)理放大、去噪聲及濾波，并由控制管理模塊統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)流采集及信息傳輸。

1.1 電阻信號(hào)調(diào)理模塊

電阻式應(yīng)變片是一種能將所受到的應(yīng)變力轉(zhuǎn)化為電阻值變化的精密傳感元件，一般由Φ=0.02～0.05 mm康銅絲或者鎳鉻絲燒結(jié)成的敏感柵構(gòu)成。在精密的工程測量中，由于應(yīng)變片處于艙體各處，過長的導(dǎo)線會(huì)引入較大的導(dǎo)線線阻誤差[9]，因此本文采用四線制的接線法消除電路中的導(dǎo)線電阻、漏電阻等誤差電阻。外部兩根線提供電流，內(nèi)部測量引線接高輸入阻抗運(yùn)放，測量電路回路電流約為0，這種四線制采集測量方式能夠有效避免因不同線長引起的長線誤差阻抗Rlead，有效提高電阻信號(hào)采集精度。圖2為四線制電阻采集原理，圖中i為恒流源，恒定電流流經(jīng)被測電阻，將電阻的變化量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過等長的導(dǎo)線回路測量被測電阻兩端信號(hào)電壓V，由于長線誤差阻抗Rlead相等，可以完全消除引線電阻的影響。

圖2 四線制電阻采集原理Fig.2 Schematic of four-line resistance acquisition

為了提高電阻信號(hào)的采集性能指標(biāo)，使測量的微弱信號(hào)能夠更加真實(shí)地反映被測參數(shù)的大小及其變化規(guī)律，電阻信號(hào)調(diào)理模塊采用差動(dòng)電橋技術(shù)提高信噪比。差動(dòng)技術(shù)對(duì)電路零漂有著明顯的抑制；電橋電路能實(shí)現(xiàn)精密測量，利用其對(duì)稱性特點(diǎn)可以找到電位相同的點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)電路平衡。差動(dòng)電路與電橋電路共同具有對(duì)稱性的特點(diǎn)，因此將兩種電路相結(jié)合，使測量結(jié)果更加精準(zhǔn)、穩(wěn)定。差動(dòng)放大電橋原理如圖3所示。

圖3 差動(dòng)電橋原理Fig.3 Schematic of differential bridge

平衡電橋的兩輸出端電壓信號(hào)U+和U-分別與差動(dòng)運(yùn)算放大器正相端、反相端相連，精密電阻R1，R3，R4和被測電阻Rx的電阻值相等(均為R)，構(gòu)成電橋左右橋臂，其中，經(jīng)過差動(dòng)電橋調(diào)理輸出信號(hào)電壓為

(1)

式中：ΔR為被測電阻受到外界應(yīng)力變化后電阻值的變化量；I為恒流源提供的恒定電流；G為放大倍數(shù)。

因?yàn)殡娮栊盘?hào)變化量±5 Ω相對(duì)于橋臂電阻R非常小，則式(1)可近似為

(2)

因?yàn)槎嗦窇?yīng)變片初始值存在差異，各通道的兩橋臂壓差ΔU不同導(dǎo)致采集初值偏差較大。采用閉環(huán)控制調(diào)零方法，采用比例-積分-微分(PID)控制算法快速調(diào)整多路數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出值，將模擬量采集的碼值調(diào)整至ΔR為零點(diǎn)，信號(hào)經(jīng)過多級(jí)放大后變化范圍與模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入范圍一致。圖4為電橋調(diào)零原理。

圖4 電橋調(diào)零原理Fig.4 Schematic of bridge zero-fitting

1.2 微弱電壓信號(hào)調(diào)理模塊

在航天器飛行過程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測艙體表面溫度、熱流密度、艙內(nèi)溫度，通過分布艙體各處的熱電偶塞、熱流傳感器及艙壓傳感器測量50路溫度變化信息，微弱電壓信號(hào)幅度統(tǒng)一設(shè)計(jì)為-25～+75 mV，可包絡(luò)所有弱電壓的采樣需求，提高模塊化集成度。信號(hào)經(jīng)過差動(dòng)放大、開關(guān)選通及幅值調(diào)理后，進(jìn)行模擬量采集。多通道微弱電壓信號(hào)調(diào)理模塊見圖5。

圖5 弱電壓信號(hào)調(diào)理模塊Fig.5 Weak voltage signal conditioning module

為提高信噪比，使測量結(jié)果能更加真實(shí)地反映被測溫度信號(hào)的大小及其變化規(guī)律，利用高輸入阻抗放大器構(gòu)成差動(dòng)放大電路，以有效地抑制共模噪聲[10]。由于溫度信號(hào)微弱，電壓信號(hào)需要采用性能優(yōu)異的運(yùn)算放大器進(jìn)行百倍放大，從而精確地反映艙體溫度變化細(xì)節(jié)信息；而且，為了避免多通道并行設(shè)計(jì)相互串?dāng)_，采用差分放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱電壓量的采集，以有效抑制噪聲。差分電壓采集見圖6。

圖6 差分電壓采集示意Fig.6 Schematic of differential voltage acquisition

由于溫度信號(hào)通道數(shù)量多，信號(hào)選通架構(gòu)采用兩級(jí)選通，通過不同地址驅(qū)動(dòng)切換采樣通道，這樣既能滿足局部劇變溫度信號(hào)的采樣要求，又可根據(jù)不同需求對(duì)重點(diǎn)艙體部位高頻次重復(fù)采樣。

1.3 振動(dòng)信號(hào)模塊

環(huán)境振動(dòng)傳感器監(jiān)測艙體形變量信息，壓電集成電路(ICP)傳感器具有體積小、質(zhì)量小、靈敏度高及頻響范圍大等特點(diǎn)，在工程參數(shù)測量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

在數(shù)據(jù)采集過程中，不可避免地會(huì)有低頻、高頻干擾信號(hào)混疊在有用信號(hào)當(dāng)中，為了避免高速信號(hào)動(dòng)態(tài)采集的干擾，設(shè)計(jì)六階巴特沃斯有源濾波器組成帶通濾波電路，以提高信噪比。采用二階巴特沃斯濾波器組成高通濾波器，設(shè)計(jì)下限截止頻率為5 Hz±1 Hz；采用四階巴特沃斯濾波器組成低通濾波器，設(shè)計(jì)上限截止頻率為3 kHz±100 Hz；為了實(shí)現(xiàn)通帶內(nèi)頻響曲線最大限度的平坦，工程實(shí)踐中將各階電阻值設(shè)置為調(diào)試，且電容選取一類瓷介電容，以減小溫度變化對(duì)通帶門限的影響。仿真得到高通濾波器及低通濾波器的波形如圖7所示。

圖7 巴特沃斯濾波器仿真結(jié)果Fig.7 Butterworth filter simulation results

1.4 控制管理模塊

控制管理模塊(見圖8)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)發(fā)、遙控遙測、狀態(tài)自檢等功能。控制管理模塊采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)與FPGA為核心的系統(tǒng)架構(gòu)，其中，F(xiàn)PGA配置16位AD采集芯片及多級(jí)選通開關(guān)對(duì)92路模擬信號(hào)分時(shí)、分頻采集，并將采集得到的數(shù)據(jù)緩存、組幀通過LVDS接口發(fā)送至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，同時(shí)增加RS422總線作為備份數(shù)據(jù)發(fā)送通道，以增加系統(tǒng)可靠性。

圖8 控制管理模塊原理框圖Fig.8 Schematic of control management module

控制管理模塊與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通過高可靠1553B總線收發(fā)遙控遙測指令；DSP工作主頻為100 MHz[11]，通過內(nèi)總線從Flash程序存儲(chǔ)器加載程序指令，同時(shí)內(nèi)部集成抗輻照的非易失性存儲(chǔ)器(MRAM)用于存儲(chǔ)部分重要航天器艙體健康數(shù)據(jù)，作為延時(shí)遙測過境下傳?？刂乒芾砟K可實(shí)時(shí)通過1553B總線接收航天器上的通道配置指令，在航天器入軌、再入等任務(wù)關(guān)鍵階段對(duì)頭部等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行表面熱流及結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況的高頻次輪詢采集，入軌穩(wěn)定后對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變、溫度等健康信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以提高航天器健康狀態(tài)自主管理能力。

2 測試結(jié)果及分析

通過本文方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了某衛(wèi)星的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖9所示。系統(tǒng)采用鎖緊插件式緊湊結(jié)構(gòu)，以減小體積和質(zhì)量。以精密電阻、干電池分壓及標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)輸入源，分別對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度進(jìn)行測試。

圖9 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單機(jī)Fig.9 Data acquisition system equipment

2.1 電阻量信號(hào)采集

電阻信號(hào)調(diào)零采用350 Ω精密電阻作為調(diào)零參考基準(zhǔn)，電阻值精度為±0.1%，所有通道調(diào)零后連續(xù)采集電阻值誤差范圍最大為0.01 Ω。隨機(jī)選取單通道測試電阻值采集結(jié)果，對(duì)345～355 Ω范圍進(jìn)行采集，采集數(shù)值與精密電阻比對(duì)，采集結(jié)果及線性擬合如圖10(a)所示，單通道采集電阻值誤差在[-0.05 Ω,+0.05 Ω]；選取347 Ω精密電阻作為所有通道采集樣本，采集結(jié)果及線性擬合如圖10(b)所示，所有通道采集電阻值誤差均在[0.03 Ω,0.07 Ω]。

圖10 電阻通道精度與一致性結(jié)果Fig.10 Precision and consistency results of resistance channel

通過以上模擬應(yīng)變電阻量信號(hào)的采集結(jié)果可以看出：所有采集通道的一致性非常高；宇航常用導(dǎo)線的電阻率一般為100～250 mΩ/m，相較于傳統(tǒng)單端模擬信號(hào)1%的采集精度，采用四線制及差動(dòng)電橋方法，單通道采集精度大幅提高，達(dá)到5‰，多通道間差異率低于2‰。

2.2 微弱電壓信號(hào)采集

隨機(jī)選取單通道測試微弱電壓量采集結(jié)果，對(duì)-25～+75 mV范圍進(jìn)行采集，采集數(shù)值與六位半量程萬用表采集結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，采集結(jié)果及線性擬合如圖11(a)所示，單通道采集電壓值誤差在[-0.2 mV,+0.2 mV]。以-10 mV作為所有通道采集樣本，采集結(jié)果及線性擬合如圖11(b)所示，所有通道采集誤差均在[-0.2 mV,+0.2 mV]。

通過以上微弱電壓信號(hào)采集結(jié)果可以看出：所有采集通道的一致性非常高；采用差分放大技術(shù)能夠有效抑制經(jīng)過百倍放大后的共模噪聲，毫伏級(jí)弱電壓采集精度大幅提高，達(dá)到2‰；在多通道同時(shí)采集情況下，增加多種防串?dāng)_屏蔽措施，通道間差異率降至與單通道采集精度相同的量級(jí)。

2.3 頻率信號(hào)采集

采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器輸出10 V正弦信號(hào)模擬頻率傳感器輸出信號(hào)，調(diào)節(jié)輸出頻率覆蓋1 Hz～8 kHz，采集結(jié)果如圖12所示。二階高通濾波器的3 dB截止頻率為5.2 Hz，四階低通濾波器的3 dB截止頻率為2997 kHz，實(shí)測結(jié)果表明：該帶通濾波器與仿真結(jié)果一致，多通道間能有效濾除高頻及低頻的雜波干擾信號(hào)。

圖12 帶通濾波器實(shí)測結(jié)果Fig.12 Actual results of band-pass filter

健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)果表明：相較于傳統(tǒng)采集設(shè)備，健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集精度提高1個(gè)量級(jí)，近百路的采集通道能夠適應(yīng)大多數(shù)航天器的力、熱健康監(jiān)測傳感器，通用性強(qiáng)，可靠程度高，設(shè)備具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及下傳的功能，能夠協(xié)助航天器實(shí)時(shí)掌握整器健康狀態(tài)并啟動(dòng)安全管理策略，顯著提升航天器自主健康管理水平。

3 結(jié)束語

本文采用四線制采集、差動(dòng)電橋等技術(shù)設(shè)計(jì)了多通道分布式弱信號(hào)健康數(shù)據(jù)采集方案，并實(shí)現(xiàn)了多通道下的高精度健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)的應(yīng)變壓力、溫度、熱流、振動(dòng)等微弱電壓信號(hào)采集精度高，振動(dòng)信號(hào)濾波效果與仿真設(shè)計(jì)值一致，在最小的資源占比下能實(shí)現(xiàn)92路多通道航天器艙體健康數(shù)據(jù)的高精度同步采集，可用于航天器實(shí)時(shí)健康監(jiān)測與狀態(tài)評(píng)估，為航天器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)分析依據(jù)。