基于FPGA和LoRa的燃燒室振動信號無線測試裝置設(shè)計

王崢巖,洪應(yīng)平,張會新

中北大學(xué),電子測試技術(shù)國家重點實驗室,微納器件與系統(tǒng)教育部重點實驗室

0 引言

航空發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒火焰非定常熱釋放和聲波充分耦合,會引起燃燒不穩(wěn)定問題,常伴隨大幅度的機(jī)械振動,嚴(yán)重威脅發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作及結(jié)構(gòu)安全[1]。由于燃燒過程的復(fù)雜性,通常會采用測量燃燒室機(jī)械振動的方法,間接分析燃燒過程的穩(wěn)定性。該技術(shù)的發(fā)展依賴試驗及由大量試驗數(shù)據(jù)歸納出的經(jīng)驗公式。燃燒穩(wěn)定性作為航空發(fā)動機(jī)燃燒室的重要性能指標(biāo)之一,在航天工業(yè)中有著極其重要的研究意義。

目前燃燒穩(wěn)定性試驗現(xiàn)場常用的引線電測法與存儲測試法均基于分布式有線搭建,在高空、低溫、粉塵、振動的惡劣工況環(huán)境下,存在測試數(shù)據(jù)波動大、精度低、線纜易損壞、可靠性差等弊端[2]。傳統(tǒng)的分立式有線儀表不能滿足日益發(fā)展的試驗要求。無線傳輸網(wǎng)絡(luò),具有布置靈活、可拓展性強(qiáng)、維護(hù)成本低和干擾噪聲小等優(yōu)點。為了能夠?qū)崟r、有效、高速地獲取高可靠性、高質(zhì)量的試驗數(shù)據(jù),本設(shè)計采用LoRa(Long Range Radio)信息通訊技術(shù)。LoRa是基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù),通過擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)過程,提高了系統(tǒng)通信抗干擾能力,通信距離可達(dá)15 km,接收電流僅10 mA,實現(xiàn)低功耗遠(yuǎn)距離無線通信。相比ZigBee、WiFi、藍(lán)牙等其他無線技術(shù),LoRa具有低延遲、低功耗和更強(qiáng)的穿透力等特點[3-4]。

本文介紹了一種基于LoRa的燃燒穩(wěn)定性無線測控裝置,將存儲測試技術(shù)與無線通信技術(shù)結(jié)合,可以實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境內(nèi)信號的穩(wěn)定采集傳輸和記錄,具有高穩(wěn)定性和可靠性,功能完善、操作便捷、維護(hù)成本低的優(yōu)勢[5]。

1 裝置整體設(shè)計

裝置分為前端記錄器和后端監(jiān)控臺兩部分,整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。記錄器主要由AD采集、Flash存儲、光耦接收、LoRa通訊和供電模塊組成,監(jiān)控臺主要由LoRa通訊、PROM存儲和以太網(wǎng)模塊組成。三軸振動傳感器通過螺紋安裝在發(fā)動機(jī)燃燒室外部,由航空電纜和前端記錄器相連接。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖

裝置進(jìn)行工作時,記錄器安置于前端測試現(xiàn)場獨立完成記錄工作,監(jiān)控臺在后端安全距離外通過無線鏈路對記錄器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測和指令下發(fā)。系統(tǒng)上電后,首先檢驗無線鏈路建立成功情況,PC端下發(fā)指令開始持續(xù)監(jiān)測記錄,控制中心點火,同時給出的一路5 V電壓通過電纜被記錄器主控板的光耦接收,以同步觸發(fā)并在數(shù)據(jù)中打出時標(biāo)。傳感器采集到的振動信號轉(zhuǎn)化為電信號,通過調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波等處理后,經(jīng)過AD模塊的量化采集,轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號實時通過無線發(fā)送后端監(jiān)控臺(同時將數(shù)據(jù)記錄在前端記錄器的NAND Flash中)。在監(jiān)控臺FPGA控制下,通過以太網(wǎng)和上位機(jī)數(shù)據(jù)交換,上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后通過相應(yīng)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理配置和顯示存儲[6]。

前端記錄器內(nèi)集成了完整的電源模塊以支持設(shè)備在前端獨立完成測試工作[7],工作電壓24 V的鋰電池容量為9 000 mAh,通過DC/DC和電源轉(zhuǎn)換板卡提供各個模塊所需電壓,系統(tǒng)電源隔離,工作電流≤0.2 A,自持供電工作時間大于60 min。后端監(jiān)控臺部分除了為自身模塊供電的AC/DC模塊外,還集成了220 V轉(zhuǎn)24 V的AC/DC模塊可通過外接電纜為記錄器設(shè)備內(nèi)鋰電池充電。電源模塊整體設(shè)計如圖2所示。

圖2 電源模塊設(shè)計

2 關(guān)鍵硬件設(shè)計

2.1 前端記錄器

綜合考慮系統(tǒng)性能、成本以及布局邏輯設(shè)計,本設(shè)計以FPGA作為前端記錄器的MCU,選用XILINX Spartan-6系列的XC6SLX150-2FGG676I芯片,該芯片具有豐富邏輯資源,能夠滿足要求[8]。系統(tǒng)采用40 MHz和23.04 MHz的有源晶振產(chǎn)生主時鐘,通過FPGA內(nèi)部PLL模塊分頻得到各個模塊所需時鐘,確保程序有效運行。時鐘樹如圖3所示。

圖3 前端S6-FPGA時鐘樹設(shè)計

AD采集模塊是實現(xiàn)高精度采集的關(guān)鍵。本設(shè)計采用ADS8422模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模擬量數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換,該芯片具有16位轉(zhuǎn)換精度,4 MHz采樣率。振動信號采集后經(jīng)過調(diào)理跟隨,通過最大開關(guān)頻率為25 MHz的多路復(fù)用器ADG706,進(jìn)入ADS8422。FPGA與ADS8422的接口、復(fù)位、控制、狀態(tài)指示等引腳相連,完成AD的控制及寄存器的配置。AD采集電路原理如圖4所示。

圖4 前端AD采集電路部分設(shè)計

存儲單元作為前端記錄器的核心器件,合理的選型至關(guān)重要。NAND Flash是一種非易失性存儲器,體積質(zhì)量小、抗過載能力強(qiáng)、可承受溫度范圍大,而且功耗低,斷電數(shù)據(jù)也不會丟失[9]。本設(shè)計采用MT29F64G08AFAAA的NAND Flash,理論最快寫入速度為50 Mbyte/s,3.3 V供電,容量達(dá)到64 GB?？梢院芎玫剡m應(yīng)極端環(huán)境下的數(shù)據(jù)存儲測試要求。數(shù)據(jù)存儲單元選用2塊NAND Flash并行存儲的方案,獨立于數(shù)據(jù)采集模塊,線纜損壞時可以通過備用接口讀取數(shù)據(jù)[9]。Flash存儲電路原理如圖5所示。

(a)Flash 1

2.2 后端監(jiān)控臺

后端監(jiān)控臺部分主要實現(xiàn)基于LoRa和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸,主控單元FPGA選用邏輯資源相對較少的XC6SLX9-2TQG144I芯片,可以滿足要求。同時外掛PROM,通過簡單的串行輸入提供非易失性存儲。主控板集成了72 MHz和40 MHz的有源晶振,通過FPGA內(nèi)部PLL分頻。

考慮到PC端常用接口,本文采用以太網(wǎng)芯片W5300實現(xiàn)監(jiān)控臺到PC的高速數(shù)據(jù)傳輸功能,以太網(wǎng)具有大容量遠(yuǎn)距離高速傳輸?shù)奶攸c,實時性強(qiáng)、功率較低。該芯片內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議,支持全硬件通信協(xié)議技術(shù),內(nèi)置存儲器128 KB,顯著降低了FPGA對存在資源的需要[11]。采集的數(shù)據(jù)通過FPGA發(fā)送至W5300,然后通過網(wǎng)絡(luò)變壓器將數(shù)據(jù)發(fā)送到RJ45網(wǎng)口和PC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。W5300芯片接口設(shè)計如圖6所示。

圖6 W5300芯片接口示意圖

裝置采用基于LoRa技術(shù)的無線串口模塊以實現(xiàn)前后端設(shè)備的無線通訊功能。該模塊設(shè)計采用射頻SX1278擴(kuò)頻芯片[12]。支持ISM2.4 GHz頻段,最大發(fā)射功率27 dbm,空中速率最高可達(dá)到2 Mbps,串口波特率最大為921 600 bps,足夠完成前端數(shù)據(jù)實時傳輸。根據(jù)測試需求對該模塊進(jìn)行二次開發(fā)并設(shè)計接口電路,模塊通過3.3 V的IO口與FPGA相連,無線模塊接口設(shè)計如圖7所示。

圖7 無線模塊和FPGA的連接

為了保證LoRa無線模塊的最佳工作狀態(tài),一般要與天線配合使用[15]。天線是發(fā)射和接收電磁波的重要無線電設(shè)備,使用時主要關(guān)注天線的輻射、極化方向、增益和尺寸等指標(biāo)。

表1對常見的3種2.4 GHz天線性能進(jìn)行對比。其中,吸盤天線強(qiáng)度最高,受外界影響相對較小,而且易于更換,但是在復(fù)雜環(huán)境中存在變形風(fēng)險,存活性低,可靠性差。而PCB天線為定向天線,可以把能量集中輻射,同時提供一定的高增益,采用定向發(fā)射天線增加輻射功率的有效利用率,增加保密性;同時增加抗干擾能力。安裝在設(shè)備表面,受外界影響概率低,信號強(qiáng)度和功率(本模塊實際功率27 dBm也就是約500 mW)也可以滿足系統(tǒng)需求。

表1 天線基本參數(shù)優(yōu)缺點對比

3 無線功能設(shè)計

3.1 LoRa擴(kuò)頻原理

LoRa是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)用比信號帶寬更寬的頻帶寬度來傳輸信號,將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)用偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列:Spread Sequence)調(diào)制,實現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸;接收端則是采用相同的編碼進(jìn)行解擴(kuò)解調(diào)處理,恢復(fù)原始信息的數(shù)據(jù)[13]。擴(kuò)頻通信原理的基本過程如圖8所示。

圖8 擴(kuò)頻通信過程

基帶數(shù)據(jù)信號通過擴(kuò)頻調(diào)制處理,變?yōu)樯漕l頻段更寬的數(shù)據(jù)信號,信號的功率密度變小,表達(dá)為原有數(shù)據(jù)與擴(kuò)頻序列(SS)的乘積。解擴(kuò)頻調(diào)制的過程為:射頻頻段的信號通過變頻和解擴(kuò)后,恢復(fù)為原有的帶寬數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)過程,提高了系統(tǒng)通信抗干擾能力。

3.2 無線控制邏輯設(shè)計

前后端無線模塊須保證空速、地址和信道一致,即可進(jìn)行正常的透明傳輸;數(shù)據(jù)是通過串口從FPGA進(jìn)入LoRa無線模塊,連續(xù)傳輸模式下,串口波特率限制了空中速率。波特率越快空中速率就越快,傳輸距離就越近,如果需要連續(xù)傳輸,2個模塊串口波特率必須一致。

無線邏輯均由模式配置、無線接收模塊RX和無線發(fā)送模塊TX組成,前端記錄器部分接收指令,發(fā)送數(shù)據(jù);后端監(jiān)控臺部分接收數(shù)據(jù),發(fā)送指令。以前端記錄器無線部分為例,模塊初始化完成,等待無線模塊復(fù)位完成,通過M2、M1、M0引腳高低電平組合MODE_CTL進(jìn)入配置模式,等待AUX引腳輸出高電平,將配置模塊參數(shù)通過TXD寫入無線模塊(配置模式下串口波特率為固定9 600 bps,格式8N1),等待配置完成再切換為傳輸模式,圖9為無線配置流程圖。

圖9 無線模塊配置流程圖

記錄器中RX部分接收監(jiān)控臺下發(fā)的32位指令,當(dāng)RXD接收到1 bit‘0’時將bit_cnt賦0,根據(jù)傳輸模式串口波特率計算得出每間隔200個clk,同時在數(shù)據(jù)傳輸最穩(wěn)定的200個clk的中間時刻從RXD接收1 bit數(shù)據(jù)。將接收到的8位數(shù)據(jù)拼接為32位指令并進(jìn)行判斷,輸出相應(yīng)的控制信號。TX部分則是接收相應(yīng)FIFO內(nèi)數(shù)據(jù),bit_cnt為0時,FIFO的讀控制信號拉高,時鐘邊沿來臨時,TX通過FPGA內(nèi)部FIFO讀出數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)按照8N1格式通過無線串口發(fā)出。

監(jiān)控臺無線部分首先完成初始化和模塊參數(shù)配置,TX部分把上位機(jī)通過以太網(wǎng)下發(fā)的32位指令分為4個8位數(shù)據(jù),按照8N1格式通過TXD發(fā)出。RX部分則是接收通過無線模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù),等待FIFO寫控制信號拉高將數(shù)據(jù)寫入FPGA內(nèi)部FIFO,再通過以太網(wǎng)回傳給上位機(jī)。圖10為前后端LoRa邏輯模塊示意圖。

(a)前端LoRa模塊

3.3 整體邏輯設(shè)計

系統(tǒng)主控制邏輯分為2部分:前端記錄器接收指令發(fā)送數(shù)據(jù),后端監(jiān)控臺下發(fā)指令回收數(shù)據(jù)。

監(jiān)測和記錄回讀采用不同的鏈路,前端記錄器接收后端監(jiān)控臺下發(fā)的指令,判斷并配置寄存器以進(jìn)入不同模式。收到監(jiān)測指令后,信號flag_monitor拉高,AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫入FIFO,控制Mode_Switch讀出FIFO緩存數(shù)據(jù)并發(fā)送至LoRa無線串口。記錄和回讀是一條完整的鏈路,收到記錄指令后,信號flag_record拉高,首先清空Flash,時鐘邊沿來臨后將數(shù)據(jù)通過FIFO持續(xù)寫入Flash中,等待收到回讀指令將信號flash_re拉高,控制Mode_Switch讀出Flash中記錄的數(shù)據(jù)并發(fā)出。監(jiān)控臺LoRa無線串口接收到數(shù)據(jù)在FPGA控制下實時回傳給上位機(jī)。監(jiān)測和記錄回讀鏈路控制流程如圖11所示。

(a)監(jiān)測鏈路

由于AD轉(zhuǎn)換速率、Flash芯片存儲速率、無線串口速率以及以太網(wǎng)傳輸速率不同,直接傳輸可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失等問題,因此通過FPGA內(nèi)部建立FIFO IP核緩沖數(shù)據(jù)[14]。本系統(tǒng)上調(diào)用FPGA內(nèi)部寬度為8位,深度為4Kbit的FIFO,實現(xiàn)多個跨時鐘域的通訊,如圖12所示。

圖12 FIFO緩存示意圖

4 測試結(jié)果與分析

4.1 無線通信距離測試

為了驗證測試系統(tǒng)在實際應(yīng)用環(huán)境下可靠的最大通信距離,對系統(tǒng)進(jìn)行地面自測環(huán)境搭建,在與實際試驗環(huán)境相近的野外開闊場地進(jìn)行多次設(shè)備性能驗證試驗[16]。后端監(jiān)控臺保持不動,通過移動前端記錄器測試節(jié)點的方式,均勻間隔時間從監(jiān)控臺上位機(jī)向記錄器共發(fā)送1 000個數(shù)據(jù)包,按照前后端間隔不同距離共進(jìn)行8組試驗,記錄接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量并轉(zhuǎn)化為通信成功率作為測試結(jié)果。

根據(jù)測試結(jié)果繪制出折線圖,如圖13所示,可知隨著通信距離的增加,通信成功率有下降趨勢,在500 m范圍內(nèi)可保證無線鏈路可靠,不丟數(shù)據(jù)。

圖13 通信成功率測試結(jié)果折線圖

4.2 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析

對于測試裝置整體而言,無線鏈路是否暢通,能否實現(xiàn)信號的實時同步采樣,監(jiān)測和存儲鏈路是否正常,PC端顯示是否不丟數(shù)據(jù)都是至關(guān)重要的[17]。

根據(jù)試驗要求,對測試裝置進(jìn)行搭建,將3枚三軸振動傳感器安裝在燃燒室外壁,并通過電纜接入前端記錄器,同時連接待測設(shè)備數(shù)字觸發(fā)引線。系統(tǒng)上電前,測試供電芯片是否對地短接,試驗人員撤離到安全距離外。監(jiān)控臺接入220 V上電,PC端連接網(wǎng)絡(luò),下達(dá)指令“啟動監(jiān)測”指令,觀察上位機(jī)軟件界面上待測傳感器電壓示數(shù)是否正常變化(同時發(fā)送“啟動存儲”指令,結(jié)束后通過無線鏈路對前端記錄器Flash進(jìn)行回讀操作),試驗結(jié)束后,利用上位機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。測試裝置實物及3枚傳感器如圖14所示。

圖14 測試裝置實物

圖15為本次試驗中全部3枚三軸振動傳感器通過無線存儲回讀所獲得的原始數(shù)據(jù)片段,標(biāo)記了其中一枚傳感器Z軸所測得的振動信號數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知,時統(tǒng)信號正確,幀頭并未錯位,幀計數(shù)連續(xù)遞增,在采集和無線傳輸過程中并未出現(xiàn)丟幀和錯幀的現(xiàn)象,驗證了系統(tǒng)數(shù)傳鏈路的完整性。

圖15 原始數(shù)據(jù)

圖16為該路數(shù)據(jù)通過PC軟件處理后顯示出的振動曲線,縱軸是重力加速度g,橫軸是時間?？梢灾庇^看出,試驗開始后26 s左右開始點火伴隨小幅振動,27 s時振動劇烈并達(dá)到峰值40g,34 s左右時燃燒逐漸停止,振動也逐漸消失。與實際發(fā)動機(jī)燃燒室點火情況進(jìn)行了對比分析,結(jié)果基本吻合,符合燃燒穩(wěn)定性試驗情況。

圖16 PC端軟件顯示該路數(shù)據(jù)的振動曲線

5 結(jié)論

針對燃燒室燃燒穩(wěn)定性試驗現(xiàn)場測試過程中,系統(tǒng)布局走線復(fù)雜,數(shù)據(jù)可靠性較差、設(shè)備通用性不足等問題,設(shè)計了一種燃燒室振動信號無線測試系統(tǒng),該系統(tǒng)分為前端記錄器和后端監(jiān)控臺,實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下振動信號的采集測試分析。試驗測試結(jié)果表明,測試系統(tǒng)能在一定距離內(nèi)實時監(jiān)控前端傳感器動態(tài)變化,并且完整可靠地存儲數(shù)據(jù)。

與傳統(tǒng)燃燒室振動信號測試系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)實現(xiàn)了極端環(huán)境下的測試,增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性,工作穩(wěn)定可靠,在航天、軍工行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景,可以提高測試效率,縮短測試周期,降低測試成本。