航天遙測系統(tǒng)集成式信號采集裝置設計

石曉玲，邊文賓，高 陽，張也弛，蔡治國

（北京遙測技術研究所 北京 100076）

引 言

近年來，隨著集成電路技術的發(fā)展以及廣泛應用，航天遙測系統(tǒng)不斷朝著小型化、標準化、模塊化方向發(fā)展，特別是一些中小型飛行器，對遙測系統(tǒng)的小型化需求越來越強烈[1]。

遙測系統(tǒng)中，傳感器作為航天器的感官和神經(jīng)，遍布航天器的各個關鍵部位。傳統(tǒng)航天遙測信號獲取中，被測參數(shù)（如振動、溫度、熱流、壓力等）由傳感器轉換成電信號，經(jīng)變換器規(guī)范化處理后進入數(shù)據(jù)采集器，轉換成PCM（Pulse code modulation）碼流，進入遙測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[2,3]。其中，每臺傳感器均通過獨立電纜與對應變換器連接，每臺變換器再通過獨立電纜與采集設備連接，導致遙測系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)量繁多、連接電纜復雜、安裝困難的使用現(xiàn)狀，同時占用了有限的空間、載荷資源，影響系統(tǒng)可靠性。

為解決上述問題，部分遙測系統(tǒng)傳感器將變換電路集成到傳感器內(nèi)部，省去了變換器以及傳感器、變換器之間的電纜。例如，一體化振動沖擊傳感器通過先進的微機械加工技術將敏感元件和信號調(diào)節(jié)電路集成在單片電路上，使被測參數(shù)直接轉換為可長距離傳輸?shù)碾娦盘朳4,5]。

但是，部分遙測傳感器直接面臨高溫等惡劣的工作環(huán)境，如溫度傳感器、熱流傳感器等，信號調(diào)節(jié)電路難以適應。本文針對航天遙測系統(tǒng)溫度、熱流傳感器的信號采集需求，設計一種集成式信號采集裝置，實現(xiàn)信號的統(tǒng)一采集、傳輸，替代傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)中的獨立變換器，同時省去各獨立變換器與采集設備之間的電纜。集成式信號采集裝置以模塊化、可擴展、總線式為設計思想，以統(tǒng)一供電、集中變換、PCM輸出的方式，形成多參數(shù)傳感網(wǎng)絡，降低遙測系統(tǒng)的體積、功耗和重量，同時，通過硬件配置模塊化、軟件適應差異性的方式，提高了在不同型號產(chǎn)品上使用的通用性。

1 集成式信號采集裝置方案設計

集成式信號采集裝置采集遙測系統(tǒng)多路溫度、熱流傳感器信號，轉換成標準的PCM數(shù)字信號，接收并執(zhí)行中心程序器的指令，完成數(shù)據(jù)上傳。

集成式信號采集裝置具備以下特點：

①小型化：在滿足裝置功能要求的前提下，具有體積小、重量輕、功耗低的特性。

② 可擴展性：硬件采用模塊化、總線式設計，根據(jù)功能分為電源變換模塊、數(shù)據(jù)綜合處理模塊和傳感器信號變換模塊，不同模塊通過板式接插件對接，可以根據(jù)測量需求配置模塊類型和數(shù)量。

③通用性：采用FPGA作為主控芯片，完成信號變換單元數(shù)據(jù)采樣、編碼、存儲及與上級軟件通訊的功能，使用靈活，可以適應不同總體接口需求，提高了在不同型號產(chǎn)品上使用的通用性。

④ 航天環(huán)境適應性：通過電磁兼容設計、結構防護設計，能夠適應振動、過載、電磁輻射干擾等惡劣的航天環(huán)境。

1.1 電路結構

集成式信號采集裝置以模塊化、總線結構設計為思想，兼顧產(chǎn)品環(huán)境適應性，方案如下：

①模塊化設計，按功能劃分模塊，包括電源變換單元、數(shù)據(jù)綜合處理單元和若干個傳感器信號變換單元，結構如圖1所示。其中，電源變換單元負責將輸入的28V DC電壓轉換為各級模塊需要的工作電壓；傳感器信號變換單元對傳感器輸出信號進行變換，并通過板上的單片機采集、緩存變換后的電壓信號，當單片機接收到數(shù)字綜合處理單元FPGA的收集數(shù)據(jù)指令后，按照約定好的協(xié)議將緩存的信號上傳數(shù)字綜合處理單元中，F(xiàn)PGA邏輯控制單元采集數(shù)字信號、收集各個信號變換單元輸出，同時與遙測系統(tǒng)通訊。

圖1 集成式信號采集裝置Fig.1 The integrated data acquisition device

內(nèi)部模塊接口分為電源接口、總線接口兩類。電源接口將電源變換單元變換后的電源傳送到各個信號變換單元及數(shù)字綜合處理單元。數(shù)字綜合處理單元與各信號變換單元采用SPI總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

② 產(chǎn)品可擴展，信號變換模塊之間的信號通過SPI總線進行信號交互，各傳感器信號變換單元可根據(jù)任務的需要，按所測參數(shù)的種類、數(shù)量選擇不同的模塊靈活進行組配。

③結構可靠，每個模塊電路安裝在串屜式結構中，模塊之間通過板式接插件相連，使用靈活，結構采用子口連接，防側向沖擊、電磁干擾性好[5]。

1.2 數(shù)據(jù)結構

集成式信號采集裝置采用FPGA作為主控芯片，實現(xiàn)信號變換單元數(shù)據(jù)采樣、編碼、存儲及與上級軟件通訊的功能，使用靈活，可以適應不同總體測量需求、接口需求。

集成式信號采集裝置內(nèi)部，F(xiàn)PGA軟件與各信號變換單元的單片機軟件通過三線制SPI總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。SPI通訊為主從模式，F(xiàn)PGA作為主器件，啟動數(shù)據(jù)傳輸，并提供SCK，單片機作為從器件，在FPGA的控制下接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)結構圖Fig.2 The data structure

2 集成式信號采集裝置詳細設計

2.1 硬件設計

2.1.1 電源變換單元

常見的電源種類共3種，如表1所示。

表1 集成變換器所需電源種類Table 1 The type of power sourse

DC/DC的輸入與輸出之間互相隔離。為提高產(chǎn)品的電磁兼容性，在DC/DC之間選用了電源濾波器。為防止電源啟動時對28V母線電流沖擊，在電源輸入端設置緩啟動電路。為降低電源輸出的紋波和噪聲，在電源輸出端均設計了LC濾波電路[7,8]。電源電路如圖3所示。

圖3 電源電路Fig.3 Power circuit block

2.1.2 數(shù)字綜合處理單元電路

數(shù)字綜合處理單元由FPGA電路、接口電路、電源電路組成。

數(shù)字綜合處理單元FPGA通過內(nèi)部接口中的SPI總線采集集成式信號采集裝置內(nèi)部信號變換單元上傳的各類傳感器信號，通過接口電路實現(xiàn)與遙測系統(tǒng)通訊功能。

接口電路按遙測系統(tǒng)要求設置。

2.1.3 信號變換單元

信號變換單元處理各種傳感器采集的微弱信號，并轉換成標準的數(shù)字信號，主要由信號變換電路、單片機采集電路和電源電路組成。信號變換單元分為熱流信號處理單元、熱偶信號處理單元兩種，信號變換電路依據(jù)各自的傳感器類型設置，其他模塊相同。

信號變換電路處理不同類型的傳感器信號，轉換為標準0～5V信號，通過多路開關進入單片機I/O口，由單片機采集電路控制多路開關切換，并啟動內(nèi)置ADC轉換為數(shù)字信號，最后根據(jù)FPGA指令，通過內(nèi)部接口中的SPI總線上傳。電源電路接收內(nèi)部電源接口中的模擬電源和數(shù)字電源，轉換成本單元需要的電源，供信號變換電路和單片機采集電路使用。

2.2 軟件設計

集成式信號采集裝置軟件由單片機軟件、FPGA軟件組成。單片機軟件位于各個信號變換單元，實現(xiàn)傳感器信號的采集、緩存，接收并執(zhí)行FPGA的收數(shù)指令。FPGA收集單片機采集的數(shù)據(jù)，并按型號約定的幀結構發(fā)送給上級軟件。

單片機軟件為內(nèi)部固定軟件，F(xiàn)PGA軟件可根據(jù)型號測量要求、接口協(xié)議做適應性調(diào)整，通過這種方式，保證了集成式信號采集裝置的使用靈活性與穩(wěn)定可靠性。

2.2.1 FPGA軟件

集成式信號采集裝置采用 FPGA作為主控芯片，實現(xiàn)信號變換單元數(shù)據(jù)采樣、編碼、存儲及與上級軟件通訊的功能。

FPGA通過其內(nèi)部時序邏輯配合外圍電路完成采集工作。FPGA上電后每隔固定時間完成一輪采集、編碼、更新，收到上級軟件收數(shù)要求后，將緩存中最新的數(shù)據(jù)發(fā)送出去[9,10]。程序流程如圖4所示。

2.2.2 單片機軟件

集成式信號采集裝置單片機軟件完成熱偶/熱流信號變換單元數(shù)據(jù)的采集，并以中斷的方式響應FPGA指令發(fā)送數(shù)據(jù)。

單片機軟件初始化后，判斷軟件工作模式，根據(jù)工作模式選擇不同類型的數(shù)據(jù)采集模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、緩存功能。單片機軟件將FPGA芯片的NSS選定信號作為中斷入口，接收到NSS信號后，進入中斷，將最新的數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA[11,12]。軟件流程如圖5所示。

圖4 狀態(tài)轉移圖Fig.4 Station machine block

圖5 單片機軟件流程Fig.5 Software flow of MCU

2.3 環(huán)境防護設計

集成式信號采集裝置采用串屜式結構，結構間設計子口連接，可以分擔部分側面沖擊力。電源層殼體的中間有印制板支撐，用螺釘固定，以減小大沖擊下印制板形變，提高產(chǎn)品抗沖擊能力。體積較大的元器件點膠固定。保證焊盤安全間距，元器件安裝高度盡量靠近印制板表面。

集成式信號采集裝置電磁兼容設計參照GJB151B-2013《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》進行，采取了如下一些提高電磁兼容性設計措施。

DC-DC模塊輸入端設置電磁兼容濾波器，輸出端設置LC濾波器。電源模塊均有過流或過熱保護功能，穩(wěn)壓器輸入端均有限流電阻。產(chǎn)品結構采用子口連接，提高了電磁屏蔽能力。合理安排電子線路的分布，使其相互連線的數(shù)量最小，線距最短；CMOS器件均使用去耦電容，輸入端設置限流電阻，防止電路閂鎖；單片機未使用管腳均配置為弱上拉模式，防止引入干擾。設備的一次電源地與二次電源地隔離，隔離電阻不小于100MΩ；設備的一次電源地與機殼隔離，隔離電阻不小于100MΩ[13]。

2.4 試驗驗證

集成式信號采集裝置與傳感器配套使用，組成高度集成的多參數(shù)傳感網(wǎng)絡，應用于某彈載多參數(shù)測量系統(tǒng)，實現(xiàn)19路內(nèi)壁溫度、57路熱流、36路外表面溫度、18路外表面壓力參數(shù)測量，形成數(shù)據(jù)碼流34Kbps。在同等條件下與傳統(tǒng)變換器比較，重量減少約82%，體積減小約65%，功耗降低約77%。

集成式信號采集裝置及對應測量系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 集成式信號采集裝置應用圖Fig.6 The application of the integrated data acquisition device

3 結束語

在遙測系統(tǒng)小型化發(fā)展趨勢下，本文針對傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)傳感器-變換器模式帶來的變換器數(shù)量多、體積大、電纜網(wǎng)復雜的問題，詳細介紹了集成式信號采集裝置的設計方案和系統(tǒng)測試情況，通過集成式信號采集裝置配合遙測傳感器，組成高度集成的多參數(shù)傳感網(wǎng)絡，再通過硬件、軟件配置，能夠適用于不同的遙測系統(tǒng)，具有體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、使用靈活等特點。該裝置已在多個型號項目上應用，均圓滿完成了型號任務。

集成式信號采集裝置通過集成變換器的方式，縮減了變換器數(shù)量、變換器到遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電纜，但傳感器與信號采集裝置之間仍然存在大量的電纜，隨著系統(tǒng)進一步開發(fā)，在傳感器端集成無線發(fā)送裝置，在集成式信號采集裝置中設置無線網(wǎng)絡匯聚節(jié)點，通過無線傳輸?shù)姆绞剑蛇M一步降低遙測系統(tǒng)重量、復雜性。