氫氧發(fā)動機緊急關機測試的多路信號源設計

丁博深， 段 燕， 李艷艷

(北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

氫氧發(fā)動機是國內外液體火箭發(fā)動機發(fā)展趨勢之一，近年來得到蓬勃發(fā)展。在氫氧發(fā)動機地面試驗準備過程中，要對地面試驗系統(tǒng)進行程序檢查，主要目的是驗證發(fā)動機試驗出現參數異常時，測控系統(tǒng)能否及時執(zhí)行自動緊急關機程序[1]。程序檢查時，通常需要用到3類信號源模擬發(fā)動機上的關鍵參數，信號類型包括：正弦波頻率信號、毫伏級電壓信號和高/低電平信號。根據程序檢查實際需求，每次測試8～10個關機條件，每個條件需人工將多個模擬信號調節(jié)至特定范圍，這種調節(jié)方式不僅影響了試驗準備效率，還存在人工誤操作風險。

目前，國內氫氧發(fā)動機試驗程序檢查時，實現模擬信號加載的方式普遍有兩種：一種是用多臺信號源實現信號模擬；另一種方式是將多路頻率發(fā)生器和電壓信號源客制化在一臺設備上，該方式較第一種方式減少了信號源設備，但每次程序檢查仍需根據不同關機條件分別調整多個模擬信號大小。此外，還有基于NI板卡簡易的模擬緊急關機參數方式，但需要控制器和模塊支持，只適用于基于NI采集控制設備的系統(tǒng)。

由于每個關機條件中的要調節(jié)的模擬信號范圍相對固定，為了實現控制每個條件的信號同時自動輸出，本文用STM32F103ZET6作為主控制芯片，通過SPI與AD9851通信，令其產生預設的頻率信號，通過串行傳輸與DAC8554通信，令其產生預設的毫伏級電壓信號，為了進一步降低偏移誤差，獲得更高的分辨力，電壓輸出后用精密電阻分壓，實現了精準的低電壓輸出。同時，STM32的I/O口控制三極管輸出高/低電平信號。用串口屏實現人機交互。通過單擊屏幕上不同條件按鍵，向STM32發(fā)出不同指令，對應輸出所需的一系列信號。

1 背景

目前氫氧發(fā)動機試驗自動緊急關機的參數判讀由采集系統(tǒng)的工控機完成。若出現異常，工控機發(fā)送DO信號給控制臺執(zhí)行緊急關機操作，如圖1所示。緊急關機判讀的參數隨發(fā)動機原理不同而各異，由相應的傳感器轉換成電信號傳輸給采集系統(tǒng)，通常包括轉速和壓力參數。某些型號發(fā)動機高空模擬試驗判讀參數還包括真空壓力參數。

圖1 緊急關機過程框圖

信號源設計要求與傳感器輸出形式和量級相關。試驗所用的應變式壓力傳感器，最大輸出約10 mV，因此，電壓模擬信號范圍要求在0～10 mV之間。為了保證模擬的壓力信號穩(wěn)定和設置的關機條件的準確性，要求電壓設置精度優(yōu)于0.5 mV，分辨力優(yōu)于0.5 mV，噪聲峰峰值小于1 mV。

真空壓力測量通常使用電容薄膜式或壓阻式變送器，輸出4～20 mA電流信號并通過采樣電阻轉為1～5 V電壓信號。試驗時，當真空度高于一定數值，即真空傳感器輸出5 V以上電壓時，認為滿足關機條件，執(zhí)行緊急關機。因此，真空壓力的模擬信號輸出≥5 V和≤1 V的兩種電平信號，即可滿足程序檢查需求。

轉速信號的輸出是正弦波電壓信號，該信號通過預處理儀轉成TTL電平，采集系統(tǒng)通過測量TTL周期來實現頻率測量，如圖2所示。根據程序檢查需求，信號源需滿足可程序控制輸出0～1 kHz正弦波信號，設置精度優(yōu)于1 Hz，分辨力優(yōu)于1 Hz。

圖2 頻率測量原理圖

2 電路設計

信號源主控芯片為意法半導體(ST)的STM32F103ZET6單片機，其具有3個SPI通信口、5個串口、2個12-bit的D/A，最高主頻72 MHz，滿足信號源自動控制功能的實現，在低功耗、低電壓運行等基礎上實現了高性能。信號源原理框圖如圖3所示。

圖3 信號源原理框圖

2.1 電源設計

(1) 帶載能力。

對負載芯片功耗進行統(tǒng)計計算。STM32F103在不同應用條件下，工作電流不同，最大為150 mA；DAC8554不同供電電壓下，工作電流不同，最大為0.95 mA[2]；5 in HMI電阻屏非SLEEP模式額定電流為350 mA；AD9851不同供電電壓下額定電流[3]如表1所示。

表1 AD9851額定電流

假設僅用線性電源，理論上總電流如表2所示。

表2 總電流計算 單位：mA

表2每個芯片以額定電流最大值計算，忽略電阻損耗。計算結果顯示整個電路驅動電流約為761.9 mA，小于1 A，信號源設備采用帶負載能力1 A的電源。

(2) 散熱。

STM32工作電壓VDD=2～3.6 V，本文選擇3.3 V供電；DAC8554和AD9851數模兩部分電源供電分開，供電電壓3.3 V或5 V。為了最小化系統(tǒng)，提高轉換效率，采用開關電源變壓后給信號源供電。同時，采取表3所列措施減少電流輸出，減小壓降，從而降低熱耗。

表3 降低熱耗措施

表3中的措施3是為了保證模擬信號輸出較低噪聲，采用散熱較好的D2PAK封裝L7805線性穩(wěn)壓器輸出5 V電壓，其熱性能參數如表4所示。

表4 L7805熱性能參數

用以下公式[4]計算散熱功率:

T=T0+RthJA×P

(1)

式中，T為電路正常工作時，線性穩(wěn)壓器的溫度；T0為環(huán)境溫度；P為線性穩(wěn)壓器以熱形式耗散的功率。

通過式(1)計算L7805理論溫升小于23 ℃。室溫20 ℃下，其實際溫度僅比體溫稍高。

(3) 干擾。

為了減小數模之間干擾，將數字和模擬部分的5 V供電分開，一路由金升陽DC-DC模塊K7805為數字部分供電，一路由ST公司的L7805為模擬部分供電，壓降到5 V后，各自進LDO芯片AMS1117-3.3，實現3.3 V輸出，如圖4所示。通常數字電路干擾較大，除數模電源分開外，模擬地與數字地也分開敷設，最終在9 V電源負處匯集，防止干擾。

圖4 電源設計框圖

2.2 電壓模擬信號設計

為實現可控的電壓模擬信號輸出，采用D/A轉換的方式。由設計要求，輸出至少有0.5 mV的分辨力。參考電壓為4.5 V，位數由式(2)計算得出，12位以上的D/A可滿足要求。

4500mV÷0.5mV=9000>212

(2)

為了達到更高分辨力，電壓模擬信號輸出采用D/A芯片DAC8554，該芯片是德州儀器(TI)公司推出的一款4路16位D/A芯片。主要性能指標如表5所示。

表5 DAC8554主要性能指標

該芯片具有較高分辨力，參考電壓5 V下，模擬量輸出分辨力約0.08 mV。信號源采用2個DAC8554，實現8路電壓信號輸出。

芯片電路設計原理圖如圖5所示。

圖5 DAC8554電路設計原理圖

由于D/A輸出的穩(wěn)定性依賴于參考電壓，這里采用REF5045電壓基準芯片[5]的輸出作為VREFH參考。

2.3 頻率模擬信號設計

正弦波頻率輸出采用AD9851芯片，該芯片是亞德諾半導體(ADI)公司的一款高集成度DDS頻率合成器，主要性能指標如表6所示，滿足頻率分辨力優(yōu)于1 Hz的設計要求。信號源采用2片AD9851，實現2路頻率信號輸出。

表6 AD9851主要性能指標

頻率發(fā)生芯片AD9851用SPI進行通信，通過串行模式輸送數據，減少端口占用。電路原理圖[6～8]如圖6所示。

圖6 AD9851電路設計原理圖

2.4 高低電平電路設計

利用三極管的截止/飽和工作狀態(tài)可模擬輸出高/低電平狀態(tài)，原理圖如圖7所示。

圖7 三極管原理圖

單片機輸出數字信號Pin為“0”時，三極管截止，Pout輸出高電平DVCC(5 V)； Pin為“1”時，三極管飽和，Pout輸出低電平VCE(sat)。信號源用2個三極管開關電路，實現2路高低電平信號輸出。

3 軟件設計

在Keil MDK開發(fā)環(huán)境下對STM32控制和交互程序進行設計[9]，編程邏輯基于中斷，若HMI串口屏的Tx發(fā)送數據，STM32產生中斷接收數據，根據接收數據不同輸出不同模擬信號。程序流程圖如圖8所示。

圖8 STM32程序流程圖

3.1 STM32與AD9851通信

AD9851默認為并行傳輸模式，因本文使用的是串行傳輸模式，需設置D7～D0為xxxxx011。

上電后，STM32控制RESET(高電平有效)置0，接著對RESET置1，置1時長大于5個時鐘周期，此時AD9851開啟默認的并行傳輸模式，隨后，立即執(zhí)行圖9所示的時序設置，才能順利完成串行設置。

圖9 AD9851串行設置時序圖

值得注意的是，根據AD9851傳輸時序(如圖10所示)，STM32的SPI應設置為：串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為低電平，在串行同步時鐘的第一個跳變沿(上升或下降)數據被采樣；數據傳輸從LSB位開始。然后使能SPI，進行40個控制字的傳輸，設置完成后，AD9851實現波形輸出。

圖10 AD9851傳輸時序圖

3.2 STM32與DAC8554通信

DAC8554輸出電壓與參考電壓和分辨力相關，計算公式為

(3)

式中，DIN為要輸入給DAC寄存器的二進制數。本文的VREFL=0，VREFH=4.5 V，根據不同輸出值，可計算出16位DIN。設置好包括DIN在內的24位控制字后，根據DAC8554設置時序，對STM32進行程序編寫。

DAC8554輸出的穩(wěn)定性依賴于電壓基準，而4路通道輸出電壓的準確性則與表5中的性能指標有關。因此，實際使用中，程序中所用的DIN和VOUT關系公式需要校準。本文采用簡單的兩點線性校準：設置485和64741兩個16位數據作為DIN，用六位半表分別測量兩個數字量的輸出電壓VOUT，根據兩組數字量和電壓值，擬合一條直線(其中b為斜率，a為截距)，作為DIN和預設輸出電壓VOUT的實際曲線，即

DIN=a+b×VOUT

(4)

用上述方法求出式(4)中的a和b后，即可在程序中用該公式計算DIN。

3.3 人機交互程序設計

信號源人機交互采用淘晶馳X5系列5 in電阻觸摸屏，分辨率為800像素×480像素。程序設計包括界面設計和通信代碼編寫，編程語言為類C語言，與STM32指令數據通過串口傳輸。

4 接地和系統(tǒng)調試

本文用到的9 V 1 A電源適配器為單相二腳插頭，沒有地線?？紤]到三相不平衡時，中性線電流不能均衡為零，其中含有大量諧波分量，且中性線導體上存在與地導體壓降[10]，本文將電路板地與其他設備共地，令其與整個測量系統(tǒng)共用一個回流地點，有效減小干擾，圖11為接地前后頻域對比圖，可以看出接地后工頻干擾減小。

圖11 接地前后頻域圖

完成設備連接后，進行整體系統(tǒng)調試。調試內容包括：

① 72 h不間斷硬件拷機測試，確保設備長時間運行穩(wěn)定性。

② 測量系統(tǒng)與自動化設備聯調，記錄并測試采集數據中輸出邏輯的正確性。電壓信號5 min內波動不超過0.01 mV。

經計量部門校準，電壓計量0～10 mV設置精度優(yōu)于0.2 mV，頻率計量精度達到0.02%。

5 結束語

基于氫氧發(fā)動機試驗準備過程中測試需求，設計了一臺人機交互式自動化信號源。該信號源用STM32單片機進行控制，實現了2路正弦波頻率信號輸出，8路模擬電壓信號輸出，2路高低電平信號輸出，每一路輸出值均可自動化調整，在滿足了現場需求的基礎上，最小化設備，減少人工操作，節(jié)約時間成本。

信號源輸出信號種類和路數較多，滿足不同型號發(fā)動機試驗需求。該類自動化設備的廣泛應用，是今后發(fā)動機試驗的發(fā)展趨勢之一。