空间原子氧探测器数据采集系统的设计与实现

高青松　景春妍　陶　院　陆登柏　蒋炳军　崔　阳

(兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，甘肃 兰州　730000)



空间原子氧探测器数据采集系统的设计与实现

高青松景春妍陶院陆登柏蒋炳军崔阳

(兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，甘肃 兰州730000)

原子氧是低地球轨道中对航天器影响最为严重的环境因素之一。原子氧通量测量是研究原子氧效应与防护工作的基础，是评估航天器材料和部件(空间原子氧)使用寿命的重要参数。石墨膜传感器可用于空间原子氧通量的测量。针对石墨膜传感器，设计了一种信号检测与数据采集电路，用于传感器输出信号的检测与调理、信号模数变换、数据采集、处理以及测量状态的控制。测试表明，该系统数据采集精度高，具有适合空间环境应用的特点。

原子氧探测器数据采集信号检测DSPA/D转换传感器

0　引言

原子氧是低地球轨道残余大气的主要成分。原子氧的密度不是很大(105～109cm-3左右)，温度也不是很高(1 000～1 500 K左右)。卫星的高速飞行，增大了原子氧对卫星表面材料的撞击能量(约5 eV)及通量密度。如在300 km轨道高度，原子氧的年积分通量达到1022atoms/cm2。即使在400 km的轨道，航天器迎风面的原子氧年积分通量[1]也达到了1021atoms/cm2。原子氧是极强的氧化剂，会对卫星表面材料或器件产生严重的氧化剥蚀作用，是卫星表面材料或器件退化的主要因素之一。因此，进行原子氧空间飞行探测试验，为低地球轨道航天器环境防护设计提供了可靠的数据支持，对我国低地球轨道航天器长寿命、高可靠技术发展具有非常重要的意义[2]。

空间原子氧探测器主要由石墨膜传感器、数据采集系统和地面数据处理软件三部分组成。数据采集系统实现石墨膜传感器信号检测与调理、信号数据采集与处理、探测器状态监测以及总线通信功能，配合嵌入式软件，实现系统的工作模式切换、启动测量、探测数据传输等任务。

1　组成与工作原理

石墨膜为电阻型原子氧传感器，具有体积小、质量轻、功耗低、成本低廉、结构简单可靠等优点[3]，其工作原理是利用原子氧对石墨材料的氧化作用，使石墨氧化生成CO或CO2气体后挥发，使得石墨膜的厚度变薄，石墨电阻值增加。由电阻变化可推算出石墨体积的变化，用下式表示：

(1)

式中：ΔV为被原子氧剥蚀掉的石墨膜体积,cm3;W为石墨膜的宽度，cm;L为石墨膜的长度，cm;τ0为石墨膜采样前的厚度，cm;R0为石墨膜采样前的电阻，Ω;R为石墨膜采样后的电阻，Ω。

原子氧剥蚀的石墨体积是一定的，因此，通过体积变化又可推算出石墨膜经受的原子氧通量，由下式表示：

(2)

将式(2)代入式(1)，可得：

(3)

石墨膜传感器工作原理如图1所示。

图1　石墨膜传感器工作原理图

通过数据采集系统测量石墨电阻变化量以及对应时间，就可计算轨道上一定时间的原子氧密度以及原子氧年积分通量。数据采集系统由数字信号处理器电路、信号检测与调理电路、有源低通滤波电路、模数变换电路、存储器电路、通信接口电路、二次电源变换电路以及嵌入式软件等部分组成。系统构成框图如图2所示。

图2　系统构成框图

数据采集系统工作模式为：在系统上电后进入待机状态，星务计算机下发测量启动指令，然后系统开始数据采集、数据处理、数据存储及数据传输。连续测量一定时间后，星务计算机下发测量停止指令，系统停止测量工作，转入待机状态。

2　 数据采集系统电路设计

2.1信号检测与调理电路

根据石墨膜传感器的电阻输出特性，信号检测与调理电路基准源可采取电压型和电流型两种方案，其电路原理如图3所示。

图3(a)中:Ra、Rb、Rd为石墨膜固定参考电阻，Rc为石墨膜敏感测量电阻。参考电阻与敏感测量电阻材质相同，具有相同的温度系数。根据原子氧通量密度测试范围109～1015atoms/cm2/s，可得电阻变化为3～30 kΩ。图3(a)中：Ra、Rb、Rc、Rd的初始电阻值为3 kΩ，原子氧剥蚀后Rc增大为30 kΩ，变化量为27 kΩ。

图3　检测与调理电路原理图

电桥输出电压的表达式为:

(4)

设剥蚀前4个起始电阻为R0，剥蚀后电阻变化量为ΔR，将R0和ΔR代入式(1)，可得：

(5)

由式(5)可以看出，当R0远大于ΔR时，输出非线性较小;但当R0远小于ΔR时,非线性将很大。因此，无论电压型基准源电路输出的电压非线性大小，非线性都完全存在。同时，如果调理电路不放置在探头内部，会因远距离产生线路损耗使基准源电压衰减或受到干扰，使信号误差增大。

根据图3(b)、式(4)和式(5)，可以列出电流源型电路输出电压的表达式为:

Uout=IrefΔR

(6)

由式(6)可看出，采用电流源基准源方案，其优点为输出线性，不受传输距离限制，两路电流由同一电流源产生，一致性好，不需要温补，在数据处理和标定时更为方便。设计采用B-B公司电流源REF200构成的检测电桥，其输出基准电流为200μA，电流精度为±0.25%，温漂为25×10-6/℃[4]，电源电压输入为2.5～40V,后接由放大器AD620构成的测量放大电路。信号检测与调理电路如图4所示。

图4　信号检测与调理电路示意图

根据电阻变化，电桥输出差分电压为0～5.4V，仪表放大器AD620的增益[5]取为62kΩ，即放大1.8倍后，输出电压为0～10V。两路基准电流由同一器件输出，电流源产生的最大电流误差为1μA，换算成电阻测量误差为135Ω，电阻测量误差最大为0.5%。由于四个桥臂传感器按照同一工艺制作，且初始状态和所处环境相同，因此能够消除因温度变化而产生的漂移误差。

2.2有源低通滤波器

当地面测试时，为抑制50Hz工频干扰时原子氧探测器测量精度的影响，在测量放大电路后增加一级有源低通滤波器。采用1级2阶切比雪夫低通滤波器，运算放大器采用OP07，截止频率设计为17Hz[6]。低通滤波器电路原理如图5所示，其幅频特性见图6。

图5　低通滤波器电路原理图

图6　低通滤波器幅频特性曲线图

2.3模数转换及DSP电路

石墨膜传感器待测电阻为四个通道，状态监测信号为两个通道，因此共需采集六个通道模拟量信号。采用16位模数变换器AD976、低导通电阻模拟开关ADG528以及运放OP07构成电压跟随器构成的模数转换电路[7]。AD976接口电路原理如图7所示。

采用TI公司型号为TMS320VC33的DSP构成最小系统[8]。其接口电路主要包括：时钟电路、看门狗电路、存储器电路以及总线驱动电路等，设计采用RS-422接口驱动器件DS26C31和DS26C31与DSP串口连接，实现数据通信[9]。

图7　AD976接口电路原理图

3　系统软件设计

数据采集系统软件的功能是完成对石墨膜传感器电阻信号和状态遥测信号采集、数据处理、组包和存储，接收RS-422总线通信口的指令数据，进行工作模式选择、探测数据以及状态遥测数据的发送。系统程序流程如图8所示。

图8　系统程序流程图

软件由以下几个部分组成。

①初始化。探测器入轨后系统供电，当DSP上电运行时，通过引导程序(BootLoader)将可执行程序从片外程序存储器内装载入DSP内部RAM后运行，完成DSP各寄存器、全局变量以及软件各模块等参数的初始设置，然后进入主程序。

②主程序。该程序用于完成石墨膜传感器信号和状态监测信号的通道切换控制、A/D转换、数据采集、数据处理以及数据组包存储等，数据处理包括数字滤波、数据单位转换处理[8-10]。

③外部中断处理程序。该程序用于完成总线指令的接收、处理以及探测数据、状态数据的发送。

④定时器中断程序。该程序用于完成本地时钟自走时和广播校时处理。

4　测试结果

在兰州空间技术物理研究所原子氧地面模拟试验室，对石墨膜传感器进行了原子氧剥蚀试验，第一通道测试结果如图9所示。采用直流多值精密电阻箱对探测器数据采集系统进行了测试，第一通道测试结果如表1所示，其他通道测试结果相似。

图9　第一通道测试结果示意图

标准电阻/kΩ实测值/kΩ测量误差/%1.00.9970.303.02.9880.406.76.6920.109.99.9020.0210.09.9980.0220.019.9970.02

5　结束语

石墨型空间原子氧探测器可以探测空间试验室、空间站等航天器运行在300～400km的低地球轨道高度时，原子氧密度对航天器表面材料产生的剥蚀效应，从而判定航天器表面材料的使用寿命。研制的空间原子氧探测器数据采集单元的电阻测量范围为3～30kΩ，测量误差小于0.4%，实现了系统的各项功能与性能要求。后续将开展地面阶段的空间环境适应性考核试验(力学、热学等)，为探测器实现空间在轨应用和开展我国原子氧环境空间飞行试验技术研究奠定坚实基础，满足我国长寿命航天器环境可靠性技术发展的需求。

[1] 李中华，赵琳，郑阔海.低轨道航天器舱外材料或器件原子氧防护技术研究[C]//第三届空间材料及其应用技术学术交流会论文集,2012.

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Design and Implementation of the Data Acquisition System for Detector of Atomic Oxygen in Space

Atomic oxygen (AO) is one of the most severe environment factors affecting spacecraft in low earth orbit (LEO)．The measurement of atomic oxygen flux is the foundation in the study of effects of atomic oxygen and related defense work,and it is an important parameter for evaluating the lifetime of spacecraft components and materials．Graphite film sensor can be used to measure the flux of atomic oxygen in space,based on it,a type of signal detection and data acquisition circuitry is designed for detecting,conditioning,and A/D converting of the output signal of sensor,as well as collecting and processing data and controlling measuring status.The results of the practical tests show that the system provides precise data acquisition accuracy and has suitable characteristics used in space environment.

Atomic oxygen(AO)DetectorData acquisitionSignal detectionDigital singnal processor(DSP)A/D conversionSensor

高青松(1983—)，男，2008年毕业于西南交通大学电气工程专业，获硕士学位，工程师；主要研究方向为空间环境探测载荷信号测量技术、嵌入式技术。

TH7;TP216+.1

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201609025

修改稿收到日期：2016-03-17。