小型遥测数据采集存储装置设计

(上海宇航系统工程研究所，上海 201109)

0 引言

运载火箭飞行试验是运载火箭研制过程中的重要环节，在飞行试验中，通过遥测系统采集记录火箭飞行试验中的工作状态参数，进而评估火箭的各种技术指标。

随着航天技术的迅速发展，对运载火箭的运载能力提出了更高的要求。运载火箭外形尺寸和体积的增大，以及捆绑助推器等新状态，导致运载火箭遥测参数的数量和采样率都有了较大增长[1]。对于成熟型号运载火箭，为改进载荷能力，需要进行相关参数测量，从而为后续性能改进提供工程数据，这就需要对遥测数据波道进行调整。而现有测量波道已趋于饱和，如对已有数据采集设备进行更改会涉及到多个技术状态变化，不适用于高密度发射形势。对于新增测量需求，可将部分无实时性要求的测量参数通过存储器的形式事后获得，与无线传输方式相比，该种方式具有系统架构简单、获取数据可靠的优点，在飞行器飞行试验中具备广泛的应用[2]。

针对运载火箭不同技术状态下新增参数的测量需求，本文设计一种具备存储功能的小型数据采集装置。该装置对运载火箭飞行过程中的多路参数进行采集并存储，待回收后可通过专用测试设备对存储的数据进行读取并分析。该种测试方法独立于现有遥测系统，不占用现有遥测系统波道，并具有设计简便、可回收、体积小、可靠性高等特点，可推广应用于多种型号运载火箭飞行试验过程中的参数测量，为运载火箭设计改进提供技术基础。

1 系统设计

数据采集记录装置测量需求如下：

1)测量路数：16路，包含4路2 kHz的速变信号，以及频率不大于15 Hz的12路缓变信号；

2)信号类型：幅值为0～5 V，采样精度为8位；

3)测量时间：不大于200 s。

根据测量需求，设计原理如图1所示。数据采集记录装置由电源板和主控板组成。其中，28 V电源由电池提供，电源板将28 V电源滤波后转换成主控板所需电压；主控板负责控制数据采集、编帧和存储任务。

主控板以FPGA为控制核心，控制模拟开关及AD转换器进行传感器信号的采集，并将采集到的数据存储至存储芯片中。为与系统时标进行统一，使用起飞信号作为数据采集存储动作的启动指令。为提高数据存储的可靠性，在主控板上设置2块完全相同的存储芯片，互为备份，同时存储，确保在回收时，当其中一个出现故障，另一个存储芯片能保证数据的完整回读。

数据采集记录装置与测试设备之间设置数据回读接口，在数据回收时，接收测试设备命令，将测试数据通过数据回读接口传输到测试设备进行分析。

图1 数据采集记录装置原理框图

2 硬件设计

2.1 主控芯片选型

FPGA具有功能集成度高、逻辑资源丰富、可重复编程、速度快、效率高、设计灵活等优点，广泛应用于数字系统设计。本产品选用Xilinx公司生产的XC3S500E型芯片作为控制芯片来完成整机的功能和时序控制，该芯片具备丰富的逻辑资源，融合了RAM和用户I/O，适用于大规模时序电路的开发和设计[3]。

上电初始化完成后，FPGA周期性从其内部RAM中读出帧格式信息。通过帧格式数据设置，可以更改不同信号的采样频率，产生模拟开关以及AD控制信号，将采集到的信号按帧格式编帧，存储至FLASH芯片，并提供芯片数据的回收读数以及擦除功能。

2.2 AD及模拟开关选择

16路传感器信号经模拟开关进行依次选通，接入到AD转换芯片进行转换，得到的二进制数据传输至FPGA进行存储和处理。模拟开关的切换由FPGA控制，在FPGA内部设置帧格式，FPGA根据帧格式顺序依次打开模拟开关，对选通的相应路数的模拟信号进行AD转换。通过改写帧格式数据，可对待测信号的采样频率以及采样顺序进行控制。

模拟开关选用AD公司的ADG1206，该芯片由±15 V供电，可对16路输入信号进行切换，典型切换时间为80 ns，且封装小，有利于产品的小型化设计[4]。AD转换芯片选用AD7892-1，该芯片具备12位分辨率，转换速率为500 ksps，输入信号范围为-5～+5 V，自带参考电压模块[5]。为保证采样精度，选用精度以及稳定度更高的外部参考源AD845作为AD7892参考电压端的外部输入。为保证阻抗匹配，模拟开关输出端通过电压跟随器LM110连接到AD芯片输入端。

图2 AD转换原理框图

2.3 存储芯片选择

常用的非易失性存储芯片有E2PROM、NorFlash、NandFlash等，其中E2PROM的写入速度较慢，NandFlash需要特殊的控制接口和软件算法，均不适合本数据采集记录装置的应用。设计中选用Atmel公司的AT25DF641，该芯片为SPI型FLASH，具有引线少、接口简单、使用方便的优点。芯片存储容量为64 Mbit(8MByte)，单字节典型编程时间为7 μs，单页(256Bytes)最大编程时间为3 ms。芯片在使用前需执行擦除操作，擦除操作可按扇区、块或整片执行，芯片的擦除寿命为10万次[6]。由于擦除操作耗时较长，设计时在写入操作前先进行整片FLASH的擦除。AT25DF641电原理图见图3。

图3 存储芯片电原理图

2.4 数据回读接口设计

数据回读接口用于在回收时读取FLASH中的数据，并可以在数据采集时对FLASH状态进行监控，以及通过测试设备对数据采集记录装置发出指令进行控制。硬件接口采用RS422模式，接口原理图见图4。电路设计中，对于输入信号，采用120 Ω终端匹配电阻来进行阻抗匹配，并添加1 KΩ的上下拉电阻，当输入信号处于未连接或意外断开的状态时，接收端有固定的差分输入电压。对于输出信号，为避免输出端意外短路，串接10 Ω的保护电阻。RS422电路具备较强的抗共模干扰能力，信号容差性好，且接口协议可自定义，在多种数据通信场合得到广泛应用[7]。

图4 RS422接口原理图

2.5 电源模块设计

电源板为整机供电，28 V一次电源经电磁滤波器EMI滤波后，输入至16～40 V宽输入开关电源DC/DC模块，产生控制板所需的二次电源±15 V及+5 V。

EMI滤波器用在电源模块的输入端，其主要作用是抑制DC/DC的开关噪声对电源母线产生干扰，同时抑制DC/DC端的共模和差模干扰，以及对内部DC/DC进行防过压和防过流保护。DC/DC模块为换流模块的核心电路，主要功能是将一次电源28 V电压，隔离后转换成测量系统所需要的±15 V以及+5 V电压，同时功率与电压输出品质满足系统负载使用要求。根据负载评估结果及电源品质输出要求，同时选择成熟可靠厂家产品，采用Interpoint公司的DC/DC芯片。该公司DC/DC芯片同时具备短路保护、输入输出电气隔离、以及耐50 V瞬时冲击的特性，成熟度较高，经过国内外多发飞行试验的考核。

3 软件设计

数据采集记录装置的软件功能主要包括：根据起飞信号到来时间，以及帧格式要求，控制模拟开关及A/D转换，进行模拟信号采集，将采集到的数据存储至FLASH中；通过RS422接口接收测试设备命令，在回收后，读取FLASH中存储的数据。软件功能框图见图5。

图5 软件功能框图

3.1 帧格式设计

根据对测量需求的分析，需采集的信号包括4路2 kHz的速变信号，以及12路缓变信号。根据采样定理，为保证采样质量，采样频率至少为信号频率的2倍，同时考虑到FLASH芯片AD25DF641的页编程字节数为256，为此设计如下帧格式：

1)副帧长度：50；子帧长度：10；全帧字数：500；

2)字长：8 bits，码速率：200000 bps(25 K Byte/s)；

3)副帧采样率：50 Hz；子帧采样率：2.5 kHz；

4)测量时间：200 s，总数据量：5 M Bytes。

其中，每路速变信号占2个子帧，采样率为5 kHz。缓变信号在每个副帧中采样一次，采样率为50 Hz。同时，在帧格式中添加帧同步标识以及帧计数，防止丢帧以及误帧情况。

为节省硬件空间，帧格式数据放置于FPGA内部。FPGA在进入采集模式后，周期性地从帧格式存储空间读取通道号和通道类型，根据类型产生不同的时序。通道类型包括待采信号、帧同步、帧计数以及空波道等。当信号采集需求发生变化时，通过更改帧格式数据文件即可实现不同采样率的控制。

3.2 模拟开关及A/D转换控制

由于模拟开关的切换需要一定的稳定时间，软件设计时预留足够的时间，保证模拟开关稳定以后，再进行A/D转换。

A/D芯片AD7892转换时序见图6，在CONVST信号的上升沿，采样保持器进入保持状态，并开始A/D转换。经过一定的转换时间tCONV后，EOC信号输出负脉冲表明转换结束。当CS、RD信号有效，经过t6时间后，即可在数据总线上获得12位数据。12位数据全部送入FPGA，可根据采样精度需求，选取相应位数进行编帧。本设计为8位字长，且由于输入的模拟信号为0～5 V，故选取第11至第4位进行存储。

图6 A/D转换软件时序图

3.3 FIFO选择

根据对帧格式的分析，每帧数据大小为500字节，时长为20 ms。对FLASH存储芯片AT25DF641进行写操作时，需要写控制字、写数据和编程，这些都需占据一定时间。在此期间采集的数据是连续不断送来的，需要使用FIFO进行缓存，否则会丢失该时间段内的参数。为得到最快的写FLASH速率，选用页编程模式，每次可对256 Bytes的数据进行编程，最大页编程时间为3 ms，设计时选用512 Bytes的FIFO进行数据的缓存。基于系统集成化的考虑，选用FPGA内部FIFO，充分利用了FPGA强大的资源，减小了系统体积，同时节省硬件成本[8]。

3.4 FLASH控制

对FLASH芯片AT25DF641的操作包括擦除、写操作以及读操作。对于写操作来说，在每次编程前要先进行写使能，允许对芯片进行编程操作，然后发送页编程命令、地址以及需要写到FLASH中的数据。页编程命令时序图见图7。AD25DF641可自动检测、报告编程或擦除失败，在编程结束时可通过读相关寄存器来查询编程是否成功，如没有编程成功，则将该页地址写入FLASH特定地址，供回收数据时参考。

图7 FLASH页编程时序图

4 可靠性及关键技术

4.1 结构可靠性设计

数据采集记录装置需要经过硬回收，工作环境恶劣，如高冲击过载、高温、高压等，易对内部电子器件造成损害[9]。数据采集记录装置在落地硬回收的过程中，一方面因与地面撞击，会产生巨大的撞击力，需要对壳体进行抗高过载防护设计；另一方面，因数据采集记录装置在随舱段飞行过程中，具有较高的动态性能，对其内部电路产生较大的惯性作用力，因此需要在壳体内部设置多层缓冲材料，并对印制板进行灌胶处理。

通过特殊的结构设计和电装工艺，确保产品可耐受大剂量冲击应力，确保随火箭箭体坠落至地面时产品不损坏，从而可靠回收数据。

4.2 软件可靠性设计

数据在回收后需要进行分析，对飞行过程中的重要参数进行还原。所以应保证数据采集记录装置工作的稳定、可靠[10]。设计时采用以下技术：

1)位置标识技术：每帧数据为500 Bytes，FLASH芯片AT25DF641每页包含256 Bytes，因此在存储时把每帧数据均分为2块，在每一块数据的末尾加上6个字节的位置信息，记录本块数据的具体位置，在数据回收时可方便的进行参数的恢复，避免由于外界干扰导致的数据丢失。

2)FLASH分页存储技术：每帧数据占据的存储空间为2页，软件在进行到写数据模式时，先顺序检测每页是否有数据，如有则跳至下一页地址，直至跳转至空白页进行数据写入。这样一方面保证不会覆盖已写入的数据，另一方面避免频繁的对FLASH芯片初始地址的页面进行操作，造成芯片损坏。

3)冗余设计：为提高数据存储的可靠性，在主控板上设置2块完全相同的存储芯片，互为备份，同时存储，确保在回收时，其一出现故障，另一个存储芯片保证数据的完整回读。

5 试验结果与分析

数据采集记录装置以“起飞”信号为起点开始记录数据，与系统时标起点统一。当数据采集试验结束后，从数据采集记录装置中回收数据，以起飞信号作为起点，结合帧格式来绘制波形，可以得到16路传感器信号在200 s内的变化趋势。

为验证测试数据采集记录装置的功能性能，设计生产了原理样机，使用测试设备模拟传感器信号，包括正弦波、方波、三角波等。数据采集记录装置对上述波形进行采集，结束后进行数据回收，并用上位机软件对数据进行波形绘制，输入及输出波形见图8。可见，数据采集记录装置中存储的数据未见异常，与测试设备输出波形一致。

图8 测试波形图

6 结论

本文介绍了一种具备存储功能的遥测数据采集装置的设计方法及其可靠性设计。该装置可对多路信号进行采集、编帧及存储，并在数据存储时采用了位置标识、分区存储、冗余设计等技术，能够可靠地进行数据存储及回收分析，为后续运载火箭的设计改进提供了有效数据支持。该装置设计灵活，节省了无线信道带宽，提高了运载火箭数据获取的准确性与可靠性，以低成本、低风险的方式解决了现有遥测波道余量不足的问题，具有一定的推广价值。