基于石英撓性加速度計(jì)微重力測量儀在空間站的應(yīng)用 ①

李增科 ，李云鵬*，雷軍剛，席東學(xué)，楊金祿，孫永進(jìn)，陳金強(qiáng)

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所空間載荷工程中心 ，蘭州 730000； 2.中國空間技術(shù)研究院載人總體部，北京 100094； 3.中科院空間工程與應(yīng)用中心,北京 100094)

0 引言

空間站微重力環(huán)境作為探索空間領(lǐng)域?qū)氋F資源，對(duì)生物技術(shù)、材料科學(xué)、基礎(chǔ)物理研究等空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供重要的測試平臺(tái)。對(duì)于微重力加速計(jì)評(píng)估和測量是試驗(yàn)環(huán)境方面的參考依據(jù)[1]。空間微重力測量儀作為空間站試驗(yàn)艙內(nèi)微重力水平和測量設(shè)備主要由在軌測量控制設(shè)備與地面數(shù)據(jù)處理軟件兩部分構(gòu)成。測量控制設(shè)備主要功能實(shí)現(xiàn)石英撓性加速度計(jì)傳感器檢測與電流-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化、濾波，三坐標(biāo)信號(hào)的數(shù)據(jù)同步采集、處理和通訊功能；地面數(shù)據(jù)處理軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)的解析、依據(jù)標(biāo)定參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析滿足測量要求下所表征的實(shí)際加速度度值的物理含義。

1 原理及測量儀組成結(jié)構(gòu)

石英撓性加速度計(jì)是基于擺式加速度計(jì)理論的基礎(chǔ)上研制的新型加速度計(jì)。應(yīng)用在慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)等領(lǐng)域主要選擇類型。其具有靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快寬頻，噪聲低等特點(diǎn)，對(duì)于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)加速度測量方面適用性顯著。

微重力測量儀通過加速度計(jì)輸出電流檢測該空間所處的微重力加速度[2]。石英撓性加速度計(jì)原理圖見圖1，空間實(shí)驗(yàn)室微重力測量儀系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。

微重力測量儀主要由檢測與濾波電路、多通道同步模數(shù)變換電路、總線接口及控制。主控信號(hào)/通訊處理器、FPGA電路及外部總線接口電路構(gòu)成見圖2所示。且圖中虛框簡稱數(shù)據(jù)傳輸單元。

圖1 石英撓性加速度計(jì)原理圖

圖2 空間實(shí)驗(yàn)室微重力測量儀系統(tǒng)構(gòu)成圖

測量原理：通過傳感器獲得四路/三坐標(biāo)加速度電流信號(hào)[3]，通過檢測與濾波處理、模數(shù)轉(zhuǎn)化后再經(jīng)過主控信號(hào)處理后，內(nèi)部數(shù)據(jù)通過兩DSP之間的SPI通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)PGA的指令控制經(jīng)接口電路與外部總線進(jìn)行通訊。

2 測量儀系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 檢測調(diào)理電路設(shè)計(jì)

加速度輸出信號(hào)，通過以O(shè)P07運(yùn)算放大器為核心器件構(gòu)成檢測調(diào)理電路設(shè)計(jì)，完成I-V電路轉(zhuǎn)換。前端輸入限流、差分限幅保護(hù)、輸出電壓與反饋電阻的匹配性設(shè)計(jì)等[4]。電路原理見圖3所示。

圖3 信號(hào)檢測與調(diào)理電路

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中根據(jù)電壓輸出的要求可選擇不同的反饋電阻RF值。

2.2 濾波器設(shè)計(jì)

模擬濾波器滿足設(shè)計(jì)所需的幅頻特性同時(shí)，避免信號(hào)受到外界干擾的影響因素，增加抗混疊設(shè)計(jì)；同時(shí)從工程應(yīng)用考慮，對(duì)整機(jī)測量動(dòng)態(tài)范圍、被濾除高頻信號(hào)幅度大小和加速度計(jì)對(duì)高頻信號(hào)衰減等因素綜合。滿足動(dòng)態(tài)范圍大于72dB要求可達(dá)到實(shí)際需求。模擬濾波器采用3階巴特沃茲低通濾波器，截止頻率約為500Hz，原理及參數(shù)設(shè)置如圖4所示，其頻譜響應(yīng)如圖5所示。

圖4 三階Butterworth低通濾波器電路原理圖

圖5 三階Butterworth低通濾波器幅頻特性

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得：模擬濾波器通帶內(nèi)衰減幅度為18dB/oct，過采樣速率設(shè)定為2kHz(4倍過采樣)，則鏡頻頻率為1kHz，對(duì)應(yīng)300Hz處鏡頻頻率為1.7kHz處衰減幅度為-32dB，因此3階低通濾波器噪聲為-32dB。

2.3 電平轉(zhuǎn)換及模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)序電路

由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD976數(shù)字接口電平為5V，而DSP SMJ320VC33接口電平為3.3V，因此需要在AD976和SMJ320VC33之間加電平轉(zhuǎn)換器件。在實(shí)際應(yīng)用中采用UT54ACS164245器件完成電平轉(zhuǎn)換功能。且與DSP連接之間某些引腳增加接口電路，其目的是提高電路適應(yīng)性，增加系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性和安全性。

空間實(shí)驗(yàn)室微重力測量儀實(shí)現(xiàn)4路微重力信號(hào)的同步采集。采用AD976完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和同步采集功能。AD976轉(zhuǎn)換時(shí)序、邏輯圖6如所示。

圖6 AD976控制轉(zhuǎn)換時(shí)序圖

2.4 通訊總線

空間微重力測量儀設(shè)備通訊有兩種方式：內(nèi)部雙DSP與FPGA之間采用SPI通信，完成數(shù)據(jù)的之間傳輸、執(zhí)行雙向任務(wù)功能等；另一種采用1394總線協(xié)議通訊方式與外接口聯(lián)系。

微重力測量儀的數(shù)字信號(hào)處理器模塊與數(shù)據(jù)傳輸單元間采用4線制SPI協(xié)議進(jìn)行通訊，考慮到及時(shí)接收1394總線指令的需要，數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)置為主節(jié)點(diǎn)，數(shù)字信號(hào)處理器模塊設(shè)置為從節(jié)點(diǎn)。數(shù)字信號(hào)處理器模塊選用的SMJ320VC33型DSP具有1個(gè)全雙工串行口，因SPI通訊接口采用DSP串口直接實(shí)現(xiàn)，無需設(shè)計(jì)專門的接口電路。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?shù)字信號(hào)處理器模塊與數(shù)據(jù)傳輸單元間的信號(hào)傳輸采用RS422電平，采用總線驅(qū)動(dòng)器和總線接收器實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通訊。

數(shù)據(jù)傳輸單元主要功能是422電平信號(hào)與外界1394總線之間轉(zhuǎn)換的通訊電路板。數(shù)據(jù)傳輸單元組成結(jié)構(gòu)見圖7所示。單元組成主要包括SRAM電路、復(fù)位電路、FPGA電路、邏輯接口電路和1394總線接口電路等(見圖1所示)。FPGA芯片主要完成數(shù)據(jù)封裝、轉(zhuǎn)發(fā)及部分控制功能，DSP芯片SMJ320F2812負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸單元的運(yùn)控管理和1394鏈路管理。FPGA主要負(fù)責(zé)接口時(shí)序調(diào)整，將外部總線接口時(shí)序調(diào)整為符合DSP外部接口的時(shí)序。DSP通過FPGA提供的接口對(duì)1394芯片進(jìn)行寄存器配置和數(shù)據(jù)收發(fā)[5,6]。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸單元組成結(jié)構(gòu)

2.5 軟件設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)測量儀軟件主要由主數(shù)據(jù)采集和處理(總線信號(hào)處理器)、測量儀數(shù)據(jù)傳輸單元主控軟件和數(shù)據(jù)傳輸接口處理邏輯軟件(FPGA)。分別用于數(shù)據(jù)采集、通訊控制以及1394通訊模塊邏輯接口電路和SPI通訊接口電路的實(shí)現(xiàn)。

完成主要功能包括如下：

1)數(shù)據(jù)采集軟件：初始化功能、數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)字濾波功能、統(tǒng)計(jì)、校時(shí)和模式切換、數(shù)據(jù)輸出功能等；

2)數(shù)據(jù)傳輸單元主控軟件：數(shù)據(jù)傳輸單元接口處理邏輯與平臺(tái)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸單元接口處理邏輯與微重力測量儀的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行控制和管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)指令的處理、時(shí)間碼的管理以及SPI指令的處理等；

3)數(shù)據(jù)傳輸接口處理邏輯軟件(FPGA)：建立子系統(tǒng)與平臺(tái)系統(tǒng)之間的橋梁，平臺(tái)系統(tǒng)外部通信接口、SPI內(nèi)部通訊接口以及與數(shù)據(jù)傳輸單元主控軟件配置項(xiàng)的XINTF接口，1394鏈路芯片接口時(shí)序轉(zhuǎn)換[7-9]。軟件系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示。

4)為實(shí)現(xiàn)軟件的實(shí)際利用率，對(duì)軟件架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，在算法上通過不同專用軟件進(jìn)行分析比對(duì)，避免循環(huán)體內(nèi)函數(shù)的多次跳轉(zhuǎn)、預(yù)分配內(nèi)存和指令優(yōu)化等同時(shí)通過仿真軟件與自行研制開發(fā)地檢軟件進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測分析，通過多輪用例測試及計(jì)算，將處理器余裕量比常規(guī)設(shè)計(jì)和測試提高到20%以上。提高了軟件運(yùn)行環(huán)境的可靠性。

圖8 微重力測量軟件系統(tǒng)構(gòu)成圖

3 測量數(shù)據(jù)及分析結(jié)果

空間實(shí)驗(yàn)室(空間站)中自發(fā)射后運(yùn)行在距地面約300Km近地軌道。在距載人飛船與其對(duì)接前對(duì)其微重力環(huán)境進(jìn)行測量(時(shí)間為2016年10月15日)且正開液橋展熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)階段。

(1)地面測試情況

空間實(shí)驗(yàn)室(空間站)地面穩(wěn)定工況下微重力水平見表1所示。

表1 空間實(shí)驗(yàn)室(空間站)地面穩(wěn)定工況下微重力水平

圖9為地面測試期間測量數(shù)據(jù)結(jié)果圖形。左圖(a)為大量程時(shí)數(shù)據(jù)測量結(jié)果，右圖(b)為小量程數(shù)據(jù)測量結(jié)果。

(a) 大量程數(shù)據(jù)測量結(jié)果 (b) 小量程數(shù)據(jù)測量結(jié)果

(2)在軌測試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果

圖10為在軌測試期間測量數(shù)據(jù)結(jié)果圖形。左圖(a)為大量程數(shù)據(jù)測量結(jié)果，右圖(b)為小量程數(shù)據(jù)測量結(jié)果。

對(duì)某飛船與空間站對(duì)接前相對(duì)穩(wěn)定工況下微重力數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到各軸微重力測量值，如表2所示：

在軌數(shù)據(jù)測量曲線圖見圖10所示。

分析結(jié)果表明：X1通道地面測量與在軌測量數(shù)據(jù)比較：平均值偏差絕對(duì)值：0.034 mg0， X2通道地面測量與在軌測量數(shù)據(jù)比較均值偏差絕對(duì)值：0.11 mg0；不確定性均不超過0.2;標(biāo)差值相對(duì)誤差0.027mg0數(shù)量級(jí)。除Y軸在地面處于飽和狀態(tài)外，其余三軸的標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果一致性良好。該數(shù)據(jù)測量來源于2016年10月15日在軌測量數(shù)據(jù)。

表2 空間實(shí)驗(yàn)室(空間站)在軌穩(wěn)定工況下微重力水平

(a) 大量程數(shù)據(jù)測量結(jié)果0 (b) 小量程數(shù)據(jù)測量結(jié)果

4 結(jié)論

對(duì)于微重力測量儀設(shè)備以石英撓性加速度計(jì)為傳感器測量微弱信號(hào)測量系統(tǒng)。成功實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)數(shù)據(jù)分析和評(píng)估的研究意義。工程參數(shù)反映了測量的技術(shù)水平。對(duì)于小量程(-10～+10)mg0范圍時(shí)，分辨率≤5.4ug0測量水平；大量程(-150～+150)mg0范圍時(shí)，分辨率≤75ug0，且頻率帶寬在0.09～300Hz帶寬內(nèi)可精確微重力水平檢測。不確定性小于0.2，外部接口通信傳輸速率可達(dá)100Mbps。將原有傳輸速度由0.3Mb/s提高到目前100Mb/s實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，大幅度解決了采集系統(tǒng)采樣速度快，對(duì)外部接口數(shù)據(jù)傳輸慢的技術(shù)難題，且同時(shí)對(duì)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加處理器余裕量比常規(guī)軟件運(yùn)行占用量提高20%，滿足航天產(chǎn)品的高可靠性特點(diǎn)。且具有測量精確高。動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)測量ug0級(jí)精密測量儀器設(shè)備。對(duì)微小信號(hào)測量系統(tǒng)領(lǐng)域中提供了借鑒意義。對(duì)其他測量技術(shù)的研發(fā)提供了新思路。既提升拓展了我國航天領(lǐng)域中空間微重力測量能力和應(yīng)用。又為未來深空探測能力進(jìn)一步提高提供有力的支撐。