一種基于MS5803的高精度超小型數(shù)字壓力采編系統(tǒng)設(shè)計

姜思如，梁 爍，林勖煌

（1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實驗室，山西 太原 030051； 2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，山西 太原 030051； 3.北京航天自動控制研究所，北京 100089； 4.福建省福州港口發(fā)展中心直屬分中心，福建 福州 350000）

0 引 言

近些年，飛行器的發(fā)展和革新一直是熱議的話題，而飛行器的壓力測量系統(tǒng)是飛行器結(jié)構(gòu)中重要的一環(huán)，對避免飛行器結(jié)構(gòu)的振動破壞、飛行姿態(tài)分析以及精準(zhǔn)進(jìn)入預(yù)定軌道起了決定性作用[1]。相較于傳統(tǒng)的飛行器壓力采編系統(tǒng)，具有高實時性和高集成度的分布式測量系統(tǒng)可以提高飛行器的自動控制能力[2]，減少飛行器的必要載荷，提升飛行器的運(yùn)載能力，通過降低必要的燃料使用量實現(xiàn)飛行器入軌精度的增加，有效增加飛行器的工作壽命[3]。因此，本文提出一種基于MS5803的高精度微小型采集系統(tǒng)，可以實時測量飛行器的整體受力情況，有效解決相關(guān)問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

采集系統(tǒng)分為分布式傳感陣列、傳感器采編器以及監(jiān)控臺3個部分。分布式傳感陣列可按實際需要多采集點(diǎn)分布于飛行器表面，實現(xiàn)壓力信號的采集，是傳感器采編器的下緣。傳感器采編器設(shè)置了通信驅(qū)動模塊，可允許傳感器實現(xiàn)至少5 m的通信距離，主控現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）可完成44路傳感器的并行采集任務(wù)，并將數(shù)據(jù)打包后通過RS-422接口發(fā)給監(jiān)控臺。監(jiān)控臺通過以太網(wǎng)接口將實時壓力溫度數(shù)據(jù)和故障傳感器位置發(fā)給上位機(jī)分析監(jiān)測，同時，作為傳感器采編器的上緣，監(jiān)控臺在接收到上位機(jī)的控制命令并將其解析后發(fā)給采編器，完成自上而下的信息循環(huán)。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感單元

系統(tǒng)選取高分辨率數(shù)字壓力傳感器MS5803作為傳感單元。傳感模塊包括1個高線性壓力傳感器和超低功率24位的?∑ADC與內(nèi)部工廠校準(zhǔn)系統(tǒng)，可以精確地測量24位數(shù)字溫度和壓力值而不需要額外的傳感器，溫度值針對溫漂問題對壓力傳感器輸出的壓力信號進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算。模擬量信號需要通過較為復(fù)雜的調(diào)理電路轉(zhuǎn)化，不僅設(shè)計整體的體積和質(zhì)量有所增大[4]，信號的衰減和噪聲也是不可避免的，得益于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技術(shù)的發(fā)展，MS5803長寬高分別為6.2 mm、6.4 mm、2.88mm，系統(tǒng)有I2C和SPI兩種通信接口，本系統(tǒng)選用I2C接口模式。I2C通信協(xié)議典型電路如圖2所示。MS5803供電電壓VDD為3 V，作為小功率低頻電路，電源管腳和地管腳之間需要并聯(lián)一個100 nF的去耦電容，RS-422接口的時鐘管腳SCLK和信號管腳SDA由10 K電阻拉高，片選CSB的選擇決定了I2C地址的最低二進(jìn)制有效位，該引腳必須連接電源信號或地信號[5]，不能懸空。

圖2 傳感單元I2C通信協(xié)議典型電路

2.2 通信驅(qū)動模塊

系統(tǒng)選用I2C擴(kuò)展器P82B715作為系統(tǒng)長通信的驅(qū)動核心。受限于總線電容，I2C的實際通信距離在幾米之內(nèi)，且距離較長時信號衰減嚴(yán)重[6]，誤碼率極高。P82B715可以隔離總線電容，內(nèi)部集成電路采用單向電流放大提高電流匯聚能力，使得遠(yuǎn)程輸出總線的電容值由輸入端的400 pF增加到 3 nF[7]，從而增加了總線的通信距離，同時改善總線噪聲，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離高質(zhì)量通信?？偩€兩端各需一個驅(qū)動模塊，位置靠近傳感單元或主控FPGA。驅(qū)動模塊硬件電路如圖3所示。P82B715芯片工作所需電壓為5 V，電源管腳和地管腳中間并聯(lián)兩個濾波電容濾除電源雜波，同時儲存電能。其中100 nF電容用于濾除電源的高頻噪聲穩(wěn)點(diǎn)電路的工作狀態(tài)。Sx和Sy分別為數(shù)據(jù)輸入管腳和時鐘輸入管腳，與傳感單元或FPGA相連。Lx和Ly為數(shù)據(jù)輸出管腳和時鐘輸出管腳，設(shè)計為高電容總線接口，內(nèi)部緩沖電路可消除大電容總線在高速狀態(tài)下產(chǎn)生的反向電流，用于I2C驅(qū)動模塊的互聯(lián)對接，管腳必須按協(xié)議嚴(yán)格連接。輸出端總線之間串聯(lián)上拉電阻可以實現(xiàn)端口的高電平輸出，使信號的上升時間切合系統(tǒng)時鐘頻率。為提高信號質(zhì)量，可在總線兩端進(jìn)行終端匹配，即信號的源端和傳輸線之間串接一個小阻值電阻，這樣的阻抗匹配既不會在信號端和地之間引入其他的雜散電容，又可以避免負(fù)載端反射的信號的二次反射[8]，可根據(jù)實際情況在100～200 Ω 之間進(jìn)行匹配。

圖3 驅(qū)動模塊硬件電路圖

2.3 FPGA

系統(tǒng)FPGA主要實現(xiàn)多路傳感器的控制、并行采集以及數(shù)據(jù)編幀打包發(fā)給上位機(jī)的控制任務(wù)。本系統(tǒng)每塊采編器最多連接44路傳感器。I2C模式下的通信要求每個傳感器需要兩個I/O接口分別接入數(shù)據(jù)端和時鐘端。經(jīng)過比較FPGA的面積和速度，系統(tǒng)采用Xillinx公司的XC2S200作為兩塊功能板的主控FPGA。芯片內(nèi)部有200 000個邏輯單元，用戶可調(diào)用的I/O口數(shù)目為140個。采編器FPGA主要實現(xiàn)多路I2C驅(qū)動芯片與傳感器的長距離通信和對RS-422芯片MAX3490的控制。FPGA硬件設(shè)計如圖4所示。

圖4 采編器硬件設(shè)計圖

監(jiān)控臺主要實現(xiàn)RS-422芯片MAX3490的控制，并通過W5300與上位機(jī)通信。FPGA硬件設(shè)計如圖5所示。

圖5 監(jiān)控臺硬件設(shè)計圖

2.4 RS-422接口模塊

RS-422總線通過兩組差分對線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信。接口芯片MAX3490內(nèi)部設(shè)有一個數(shù)據(jù)驅(qū)動器和一個數(shù)據(jù)接收器，實現(xiàn)單端信號到差分信號或?qū)⒉罘中盘栟D(zhuǎn)化為邏輯電平的全雙工通信。芯片采用3.3 V電壓供電，通信碼率最高可達(dá)10 Mb·s-1， 內(nèi)部設(shè)置短路電流限制和熱關(guān)斷電路，避免功率過大帶來的損壞。數(shù)據(jù)接收端并聯(lián)了120 Ω的匹配電阻，用以吸收長距離通信產(chǎn)生的信號反射。兩片MAX3490完成功能板的信號傳遞，1片連接輸出端TXD，另一片連接接收端RXD，以正對正、負(fù)連負(fù)的形式相接。

圖6 RS-422接口模塊電路圖

2.5 以太網(wǎng)接口

采編器完成采編任務(wù)后，監(jiān)控臺需要將采集后的數(shù)據(jù)打包發(fā)給上位機(jī)，以便完成環(huán)境的實時監(jiān)測。以太網(wǎng)以其接口性能穩(wěn)定和操作簡單高效等顯著優(yōu)點(diǎn)高度適配系統(tǒng)通信要求。以太網(wǎng)協(xié)議內(nèi)部分為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層及網(wǎng)絡(luò)接口層等多層結(jié)構(gòu)，用以逐層處理傳輸數(shù)據(jù)[9]。如圖7所示，作為內(nèi)核的傳輸數(shù)據(jù)從應(yīng)用層傳輸?shù)絺鬏攲雍?，增加? Byte的UDP首部，用以控制數(shù)據(jù)的分配和傳輸；數(shù)據(jù)段經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層，被配置20 ByteIP報頭，實現(xiàn)目的地地址的解析和選擇；最后一層為網(wǎng)絡(luò)接口層，包含數(shù)據(jù)鏈路層，可將上述數(shù)據(jù)包封裝14 Byte的MAC幀頭，規(guī)定了MAC地址和協(xié)議類型，并在幀尾加上4 Byte的CRC校驗將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為MAC幀，為后續(xù)數(shù)據(jù)在物理層傳輸做預(yù)處理。

圖7 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)

系統(tǒng)選用W5300作為以太網(wǎng)接口芯片。該芯片擁有128 kB的數(shù)據(jù)存儲器，可以支持10M/100M網(wǎng)絡(luò)并完成IP標(biāo)志識別并轉(zhuǎn)發(fā)到上級協(xié)議，無需額外電路及芯片輔助。芯片需要掛接25 MHz的晶振通過倍頻產(chǎn)生的150 MHz時鐘信號。66引腳/RESET為復(fù)位控制管腳，由FPGA調(diào)度控制，18管腳B1E6EN可以將傳輸模式設(shè)定為16位數(shù)據(jù)線并行數(shù)據(jù)模式，適用于大流量的數(shù)據(jù)傳輸。寄存器位寬均為8，使得單次通信傳輸?shù)?6位數(shù)據(jù)需要兩個寄存器，F(xiàn)PGA與ADDR1～ADDR9（即48～56引腳）相連配置寄存器地址。23～25引腳（OP_MODE0～OP_MODE2）接地可以配置寄存器管理器處于全功能自動握手狀態(tài)。外部差分信號通過隔離變壓器T1-6T進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化后接入芯片內(nèi)部，避免沖擊和過載造成的芯片損壞。以太網(wǎng)模塊電路如圖8所示。

圖8 以太網(wǎng)模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 整體系統(tǒng)流程設(shè)計

系統(tǒng)成功連接并上電后，上位機(jī)寫入接收端地址，向各設(shè)備發(fā)送復(fù)位指令。采編器通過CRC校驗，驗證傳感器工作狀態(tài)，進(jìn)行故障檢查，將故障傳感器地址返回上位機(jī)。上位機(jī)軟件向監(jiān)控臺發(fā)送開始指令，并按照指定采樣率發(fā)送采集指令。監(jiān)控臺將命令解析后發(fā)送給采編器。采編器控制傳感陣列對環(huán)境進(jìn)行壓力感知并把采集的實時數(shù)據(jù)編幀后經(jīng)過RS-422總線發(fā)送到監(jiān)控臺。監(jiān)控臺通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行解析。上位機(jī)可以完成實時的可視化監(jiān)測，通過實時數(shù)據(jù)的跳點(diǎn)和警報，直觀地實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境感知。

3.2 采編器系統(tǒng)流程設(shè)計

采編器通過配置異步FIFO和多個I/O的分配，可以實現(xiàn)44路傳感器的并行采集和實時傳輸。系統(tǒng)上電后采編器首先對傳感器陣列發(fā)送復(fù)位指令，傳感陣列在2.8 ms后完成初始化即可從PROM中讀取8個地址128位的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。其中，最后一個地址位CRC校驗碼可以驗證傳感器的工作狀態(tài)，若校驗不正確，說明傳感器出現(xiàn)故障，需要發(fā)送故障地址到上位機(jī)；驗證通過，則等待上位機(jī)發(fā)送采集命令并配置系統(tǒng)采樣率。傳感器開始采集數(shù)據(jù)，并在下一次采集開始的同時將前一次采集的數(shù)據(jù)暫存到FIFO中，每次存入一組新的數(shù)據(jù)時，需要前一組數(shù)據(jù)全部存入FIFO且判斷成功后才能寫入。上位機(jī)實時讀取FIFO中的數(shù)據(jù)并將計算結(jié)果繪制成曲線，在發(fā)送停止命令后，系統(tǒng)停止采集。采編器系統(tǒng)流程如圖9所示。

圖9 采編器系統(tǒng)流程圖

4 實驗數(shù)據(jù)

本次實驗環(huán)境為臺式氣壓泵加壓后形成的 1.2 MPa高壓環(huán)境。系統(tǒng)上電后，可完成實驗環(huán)境壓力值的實時監(jiān)測。實驗數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 實驗數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)的相對誤差計算公式為：

式中：?為絕對誤差即實測值與真實值差的絕對值；L為真值。

將上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)代入式（1），可計算得出本次實驗的測量精度為0.059%，相比傳統(tǒng)壓力采編系統(tǒng)，采集精度約為1%，說明系統(tǒng)大大提高了采集數(shù)據(jù)的精度。

再將系統(tǒng)置于室內(nèi)環(huán)境，采集本地區(qū)的實時大氣壓數(shù)據(jù)。通過高精度壓力計測量大氣壓實際值為91.55 kPa，隨機(jī)選取2 000個測試數(shù)據(jù)將換算的壓力值代入式（1），可得如圖11所示的系統(tǒng)采樣精度雷達(dá)圖。通過眾多隨機(jī)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以看出，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可以連續(xù)穩(wěn)定地采集實時氣壓數(shù)據(jù)，測量精度穩(wěn)定于0.05%～0.09%區(qū)間，精度較高[15]。

圖11 采樣精度雷達(dá)圖

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了基于MS5803的高精度壓力采編系統(tǒng)。系統(tǒng)選取數(shù)字壓力傳感器MS5803作為傳感單元，可以并行采集環(huán)境壓力溫度數(shù)據(jù)并將采集的數(shù)據(jù)通過采編器發(fā)送給監(jiān)控臺，監(jiān)控臺可與上位機(jī)相連完成檢測環(huán)境的可視化監(jiān)測。實驗證明，系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)連貫，精度較高。相較于傳統(tǒng)壓力采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有超小型、高精度以及連線簡單使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可以有效減少飛行器質(zhì)量，節(jié)約燃料。