基于FPGA的柔性應(yīng)變測量裝置設(shè)計

鹿文龍

摘 要：針對固體火箭發(fā)動機推進(jìn)劑藥柱應(yīng)變量大、高頻振動時應(yīng)變不易測量的問題，基于FPGA和柔性應(yīng)變計設(shè)計了柔性應(yīng)變測量裝置。柔性應(yīng)變計的測量范圍大，可以測量雙向應(yīng)變，解決了推進(jìn)劑藥柱應(yīng)變測量的難題。FPGA具有實時性高、并行運行的優(yōu)點，解決了多路應(yīng)變實時采集的難題。該應(yīng)變測量裝置還可用于其他高分子材料的應(yīng)變測量。

關(guān)鍵詞：推進(jìn)劑；柔性應(yīng)變計；FPGA；高頻振動；高速采集

0 前言

固體火箭發(fā)動機的推進(jìn)劑藥柱具有一定彈性，受重力、溫度等因素影響，藥柱內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力。在應(yīng)力作用下藥柱表面會產(chǎn)生應(yīng)變，通常應(yīng)變量較大。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定程度時，藥柱內(nèi)部會產(chǎn)生孔隙，表面會產(chǎn)生裂紋，藥柱會發(fā)生破壞性改變。而藥柱的狀態(tài)直接影響著火箭發(fā)動機的飛行狀態(tài)，藥柱如果存在缺陷很可能引起飛行任務(wù)失敗[1-3]。因此采取措施測量藥柱表面的應(yīng)變具有重要意義。因為藥柱具有彈性而且體積較大，其表面應(yīng)變通?？蛇_(dá)數(shù)毫米，無法使用普通應(yīng)變傳感器測量。

火箭發(fā)動機生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行高頻振動試驗考核，振動過程中需要實時監(jiān)測藥柱表面應(yīng)變情況。通常振動頻率可達(dá)1 kHz，需要設(shè)計高速測量裝置才能滿足測試需求。本文使用柔性應(yīng)變計設(shè)計柔性應(yīng)變傳感器，具有測量范圍大、便于粘貼、可雙向測量的特點，解決了藥柱應(yīng)變測量的難題。基于FPGA設(shè)計高速應(yīng)變測量裝置，具有多路采集、數(shù)據(jù)存儲和顯示等功能，可實時處理多路應(yīng)變信號。

1 測量原理

1.1 應(yīng)變測量原理

具有彈性的物體受到應(yīng)力時會產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變量與應(yīng)力大小成正比。固體火箭發(fā)動機推進(jìn)劑為高分子復(fù)合材料，制成的藥柱具有彈性。當(dāng)藥柱受到重力影響或者溫度發(fā)生變化時，都會引起內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。應(yīng)力會引起藥柱內(nèi)部和表面產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變量與應(yīng)力[4-5]存在如下關(guān)系：

固體火箭發(fā)動機的推進(jìn)劑藥柱體積較大，而藥柱的彈性模量較小，通常約為0.8 MPa，因此藥柱產(chǎn)生的應(yīng)變量較大，最大可達(dá)10%。普通的應(yīng)變傳感器使用剛性材料制成，只能用來測量微小應(yīng)變，最大量程約為1%，無法滿足藥柱應(yīng)變測量需求。設(shè)計中選擇柔性材料制成的應(yīng)變傳感器來測量藥柱的應(yīng)變量。

1.2 應(yīng)變傳感器

應(yīng)變傳感器選擇的柔性材料制成大量程柔性應(yīng)變 計[6]屬于大塑性應(yīng)變測量應(yīng)變計，采用完全退火的康銅敏感柵材料和聚酰亞胺基底材料制造而成，具有高延展性、高伸長率，是材料及結(jié)構(gòu)的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變分析的理想測試元件。

該應(yīng)變計相對于普通應(yīng)變計提升了敏感絲柵材料的延展性和伸長率，改進(jìn)了應(yīng)變計敏感絲柵結(jié)構(gòu)，降低了基底剪切應(yīng)力和焊盤應(yīng)力的集中影響，改善了應(yīng)變計的拉伸特性，可避免大應(yīng)變時斷線產(chǎn)生，最大能夠測量20%范圍內(nèi)的雙向應(yīng)變量。該應(yīng)變計可以滿足藥柱應(yīng)變測量需求，主要參數(shù)如下：

● 測量極限：±20%；

● 溫度范圍：-30～+60 ℃；

● 阻值：120 Ω；

● 阻值偏差：標(biāo)稱值±1%；

● 應(yīng)變系數(shù)：≥2.0。

2 測量裝置設(shè)計

2.1 測量裝置組成

如圖2所示，柔性應(yīng)變測量裝置由多個應(yīng)變計和采集裝置組成。應(yīng)變計黏貼在藥柱表面不同位置，用于感應(yīng)應(yīng)變。采集裝置位于藥柱外部，可同時采集多路應(yīng)變量，并具有運算、存儲、顯示和發(fā)送等功能。

2.2 采集裝置組成

采集裝置主要由電源模塊、控制器模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、存儲模塊、時鐘模塊、按鍵輸入模塊、串口通信模塊、USB接口模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊組成，其內(nèi)部組成框圖如圖3所示。

其中電源模塊實現(xiàn)電源濾波及轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)中其他模塊及傳感器供電；控制器模塊采用FPGA實現(xiàn)對系統(tǒng)整體運行過程的控制，主要是對用戶指令的響應(yīng)以及其他功能模塊的控制；AD轉(zhuǎn)換模塊由多片AD采集芯片組成，模塊受控制器模塊的控制，將輸入的應(yīng)變傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并傳送至控制器模塊。存儲模塊由數(shù)據(jù)存儲模塊和參數(shù)存儲模塊組成，其中參數(shù)存儲模塊存儲裝置運行參數(shù)，例如采集通道、數(shù)據(jù)采集頻率等；數(shù)據(jù)存儲模塊存儲AD轉(zhuǎn)換模塊采集到的傳感器數(shù)據(jù)。時鐘模塊為一個萬年歷芯片，為系統(tǒng)提供時鐘基準(zhǔn)，可由紐扣電池供電，保證在系統(tǒng)斷電的情況下時鐘芯片能夠運行。按鍵輸入模塊采集按鍵信息，傳遞給控制器模塊進(jìn)行處理，響應(yīng)用戶輸入。串口通信模塊實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)通信，將上位機的控制指令傳送給控制器模塊并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，通信總線為RS485。USB接口模塊為一個USB主機接口，可以將數(shù)據(jù)傳送至上位機。顯示模塊由LCD顯示屏組成，以顯示用戶設(shè)定通道的應(yīng)變量。

2.3 采集裝置重要電路設(shè)計

2.3.1 組橋電路

應(yīng)變傳感器可以等效為一個可變電阻，其電阻值與應(yīng)變量成正比。由于應(yīng)變傳感器的阻值變化范圍很小，不易檢測，所以需要設(shè)計組橋電路，形成一個惠斯通電橋，如圖4所示。電橋可將應(yīng)變傳感器電阻值的變化轉(zhuǎn)換為差分電壓輸出，可通過調(diào)整電橋配置電阻的阻值調(diào)整電橋輸出零點，便于后端放大采集。

2.3.2 信號采集電路設(shè)計

采集電路由放大電路和AD轉(zhuǎn)換電路組成。如圖5所示，放大電路使用儀表放大器AD8226將電橋輸出的毫伏級電壓信號放大至伏級，滿足AD轉(zhuǎn)換器輸入電壓要求。同時在放大電路的信號輸入端和信號輸出端設(shè)計濾波電路，以濾除干擾噪聲，提高信號質(zhì)量。

放大后的信號進(jìn)入AD7699BCPZ進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，AD7699BCPZ是一款8通道、16位、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化的高速轉(zhuǎn)換，最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)500 kS/s， 轉(zhuǎn)換精度達(dá)0.01%以上。設(shè)計中通過FPGA控制多片AD7699BCPZ，每片AD7699BCPZ的8個通道連接8個應(yīng)變傳感器。藥柱隨機振動試驗時振動頻率約為1 kHz，應(yīng)變傳感器信號變化頻率與振動頻率相同。8個應(yīng)變傳感器的信號總帶寬約為8 kHz，AD7699BCPZ的最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)500 kS/s，完全滿足采樣頻率大于信號頻率10倍的要求。在FPGA的控制下多片AD7699BCPZ同時工作，可以同步采集多路應(yīng)變傳感器輸出信號，實現(xiàn)對藥柱表面多個應(yīng)變量的實時采集。

2.3.3 控制器電路設(shè)計

控制器的核心器件為FPGA，設(shè)計中選擇Altera公司（編者注：已被Intel并購）生產(chǎn)的EP4CE10F17C8芯片，該芯片內(nèi)部集成有邏輯單元（LE）、嵌入式存儲器（M9K）、嵌入式18×18乘法器、通用PLL、全局時鐘網(wǎng)絡(luò)以及輸入/輸出單元（I/O），可以使用Verilog語言編寫程序控制AD轉(zhuǎn)換芯片、存儲芯片、USB通信芯片和顯示屏控制芯片，實現(xiàn)應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、外部通信和數(shù)據(jù)顯示等功能，同時還可以通過內(nèi)部加法器和乘法器對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理。

存儲電路由參數(shù)存儲電路和數(shù)據(jù)存儲電路兩部分組成，如圖7所示。參數(shù)存儲電路選擇FM25CL64-GA， 用于保存多路應(yīng)變傳感器的校準(zhǔn)參數(shù)。該芯片是一款非易失性鐵電隨機存儲器，存儲容量為64 kB，可無限次讀寫數(shù)據(jù)，掉電下仍可長期保存數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲電路選擇MT29F128G08AJAAAWP-ITZ，用于保存采集、運算處理后的應(yīng)變量數(shù)據(jù)。該芯片是一款存儲容量為128 GB的Flash型閃存存儲器，主頻為166 MHz，具有存儲速度快、存儲容量大的優(yōu)點。由于振動試驗中藥柱應(yīng)變變化頻率可達(dá)1 kHz，而且通常振動時間可達(dá)1 h以上。所以采集到的應(yīng)變量數(shù)據(jù)很大，設(shè)計中共使用2片MT29F128G08AJAAAWP-ITZ，總存儲容量為256 GB，可滿足數(shù)據(jù)存儲要求。

控制器的重要電路還包括USB通信電路和顯示屏控制電路，分別實現(xiàn)USB通信和數(shù)據(jù)送顯的功能。USB通信電路的主要器件為CY7C68013A-56PVXC，其內(nèi)部集成8051微處理器和USB2.0收發(fā)器，具有USB IF高速通信功能。設(shè)計中FPGA通過8根數(shù)據(jù)線與CY7C68013A-56PVXC連接，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速處理和收發(fā)。顯示屏控制電路是通過FPGA控制一片C8051F040單片機實現(xiàn)的，F(xiàn)PGA與單片機通過16位數(shù)據(jù)總線連接，F(xiàn)PGA將數(shù)據(jù)發(fā)送給該單片機，單片機對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存并將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送至顯示屏，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。同時，單片機還可以接收外部按鍵信號，響應(yīng)外部控制指令。

3 軟件設(shè)計

應(yīng)變測量裝置嵌入式軟件設(shè)計分為兩部分，分別為應(yīng)變傳感器信號采集模塊和用戶交互控制模塊。其中信號采集模塊實現(xiàn)對應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)采集及存儲，交互控制模塊控制測量裝置與用戶交互過程，包括顯示屏顯示及按鍵控制。

信號采集模塊的核心控制器為FPGA，通過FPGA控制實現(xiàn)高速AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲[7]。信號采集模塊主要有三個狀態(tài)，系統(tǒng)常態(tài)為采集模式，在該模式下，測量裝置實時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并發(fā)送至交互控制模塊，由交互控制模塊顯示各應(yīng)變傳感器實時數(shù)據(jù)，不記錄數(shù)據(jù)；當(dāng)測量裝置采集開關(guān)關(guān)閉后，測量裝置進(jìn)入記錄模式，在該模式下，測量裝置實現(xiàn)高速AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲，并周期發(fā)送數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)顯示模塊；當(dāng)測量裝置連接上位機軟件并接收到指令后進(jìn)入上傳模式，在該模式下，測量裝置停止數(shù)據(jù)采集及存儲，與上位機進(jìn)行交互，將數(shù)據(jù)上傳至上位機軟件。信號采集模塊上電后首先進(jìn)行各模塊初始化設(shè)置，然后判斷系統(tǒng)狀態(tài)并進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)的控制模塊，執(zhí)行相關(guān)流程控制。圖8為信號采集模塊的簡要流程圖。

交互控制模塊主要功能為控制顯示屏顯示及解析按鍵指令，實現(xiàn)用戶和信號采集模塊間的信號中轉(zhuǎn)，所使用的核心控制器件為C8051F040單片機。交互控制模塊接收信號采集模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并顯示時間、使用容量、通道應(yīng)變量等信息，同時接收按鍵控制指令實現(xiàn)時間更改、緩存清除、應(yīng)變校準(zhǔn)等功能。

4 結(jié)束語

本文基于柔性應(yīng)變傳感器和FPGA設(shè)計的柔性應(yīng)變測量裝置，解決了固體火箭發(fā)動機推進(jìn)劑藥柱應(yīng)變測量的難題，充分發(fā)揮了FPGA實時性信號處理的優(yōu)勢，可在高頻振動下同步測量多處藥柱應(yīng)變，實現(xiàn)對藥柱健康狀況的監(jiān)測，對推進(jìn)劑改進(jìn)和發(fā)動機研制[8]都具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 職世君.固體火箭發(fā)動機粘彈性藥柱裂紋分析[D].南京：南京理工大學(xué)，2009.

[2] 張志峰，馬岑睿，高峰，等.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機推進(jìn)劑發(fā)展綜述[J].飛航導(dǎo)彈，2007（4）：53-56.

[3] 紀(jì)綱.固體火箭發(fā)動機推進(jìn)劑材料HTPB斷裂力學(xué)性能測量[J].價值工程，2018，37（24）：155-157.

[4] 張昊，彭松，龐愛民，等.固體推進(jìn)劑應(yīng)力和應(yīng)變與使用壽命關(guān)系[J].推進(jìn)技術(shù)，2006，27（4）：372-375.

[5] 徐新琦，袁書生，隋玉堂，等.貯存條件下推進(jìn)劑藥柱的應(yīng)力、應(yīng)變分析[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2002，17（3）：313-317.

[6] 李龍飛，丁永生，等.基于機織結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)變傳感器的設(shè)計與分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2008，21（7）：1132-1136.

[7] 王曉鵬.基于FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用， 2014，（11）：169-171.

[8] 周東謨，劉向陽，張鵬軍，等.定應(yīng)變下固體火箭發(fā)動機藥柱概率 貯存壽命預(yù)估研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2019，40（9）：2121-2129.

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