一种耐高冲击遥测装置设计

2021-12-24霍利锋那凯鹏刘国忠

山西电子技术 2021年6期

霍利锋，那凯鹏，刘国忠

(山西科泰航天防务技术股份有限公司，山西太原 030006)

0 引言

飞行器在飞行试验过程中需要采用遥测方式获取内部各分系统的工作状态和环境参数，为其性能评估或故障定位提供依据[1]。由于常规遥测装置体积和质量较大，难以适应高过载试验环境需求[2]。随着电子技术、FPGA器件和数字变频技术为代表的软件无线电技术的迅速发展，使得基于软件无线电技术的遥测装置具有集成度高、可在线重构、开发周期短的优点[3,4]，为遥测装置的小型化和抗高过载提供了技术保障。

针对在高过载环境下的遥测需求，本文设计了一种基于软件无线电技术的遥测装置，可采集多路模拟信号和数字总线数据，具有一体化、体积小、重量轻、耐高冲击的特点。

1 系统总体设计

1.1 设计思路

遥测装置测量需求如下：

1) 采集4路28 V电源信号、接收2路RS422数字信号；

2) 无线电频段为S频段，采用PCM-FM遥测传输体制；

3) 射频发射功率≥30 dBm；

4) 供电范围16 V～32 V。

为了减小遥测装置体积，遥测采编器和发射机一体化设计,由FPGA控制相关接口电路完成模拟数据采集和数字信号接收、遥测编码、基带信号调制。遥测装置内部对模拟和数字信号进行隔离设计，避免外部复杂环境造成干扰。遥测装置内部进行抗高冲击设计以满足高过载试验环境要求。

1.2 系统原理

根据测量需求，设计的遥测装置结构如图1所示。

图1 遥测装置组成框图

采用FPGA作为主控制芯片，控制模数转换器进行模拟通道选择和模数转换，同时接收RS422数字信号，实现模拟数据和数字量进行混合编码形成遥测帧，然后转化为串行PCM码流，并进行信号调制，通过数字上变频器上变频到S频段，通过功率放大和滤波，最后通过分路器分别输出到两路遥测天线。

2 设计方案

2.1 主要元器件选型

FPGA选用Xilinx的XC6VLX240T，实现数据采集编码、数据传输、基带信号调制等。FPGA内部集成大容量可编程逻辑和RAM存储器，能够实现复杂时序逻辑功能。FPGA控制ADC进行模数转换，并完成基带数据生成和DDS合成，并将PCM信号输出至数字上变频器。

数字上变频器选用AD公司生产的AD9364，该芯片是一款高性能、高集成度的射频捷变收发器，内部集成了无线收发系统的大部分功能元件，包括ADC/DAC，LNA，锁相环，滤波器等，通道带宽范围为200 kHz～56 MHz，满足工作频率在70 MHz～6 GHz内的无线收发需求[5]。同时为基带信号处理器提供了可配置数字数据接口，该芯片能够实现从基带信号直接上变频到射频信号，不需要外部混频器、滤波器的支持，从而简化设计，大幅度减小遥测装置的体积、功耗、重量[6]。FPGA通过SPI接口对AD9364进行参数配置，通过12 bit并行数据总线进行数据传输。

ADC选用AD公司生产的4通道、16位、SAR型模数转换器AD7682。该芯片采用5 V供电，内置低温漂2.5 V和4.096 V电压基准源，FPGA通过SPI接口读写配置寄存器和转换数据的读取。

2.2 模拟信号调理

由于模拟输入通道存在干扰和噪声，会造成测量信号不准确的问题，通过信号隔离可以消除由于信号源接地网络的干扰所引起的测量噪声。

本设计中电压信号采用双光耦和双运算放大器对所采集的电源信号进行隔离和调理，将28V电源电压信号转化为2.5V范围内的电压信号供ADC进行采集。2个光耦一个用于隔离输出，一个用于反馈，补偿发光二极管时间、温度特性的非线性，调理电路原理如图2所示。

图2 信号调理电路

信号调理电路中，当R1=R4、R2=R3时，电路的增益只与电阻R1，R5的阻值有关，与光耦的电流传输比等特性无关，电路增益：

Vo=Vin*R5/R1

(1)

由于电路中光耦的输出电流对于输入电流存在着传输滞后，采用电容C2进行补偿，消除在某些频段上可能产生的自激振荡，电容的容值根据电路的频率特性确定。

该电路直接从信号输出端取少量电流，从而实现了对电压信号的线性隔离，可以节省隔离电源，减小电路体积。由于光耦U1A存在约1 V的导通电压，故本电路无法测量1 V以下的电压信号，设计时需要注意。

2.3 数字信号接口

RS422串行接口经接口隔离转换芯片ADM2682转换为TTL电平，再由FPGA接收和解码。RS422串行接口采用120 Ω终端匹配电阻进行阻抗匹配，并采用3 kΩ的上下拉电阻。当输入信号处于未连接或意外断开状态时，接收端有固定的差分输入电平。为避免短路意外高电压或热插拔造成接口电路损坏，串接47 Ω电阻进行保护，电路如图3所示。

图3 RS422串行总线接口示意图

接口芯片ADM2682E自带隔离DC-DC，具有±15 kV ESD保护，码速率可以达到16 Mbps，可以满足遥测数字信号接收要求。

2.4 电源模块设计

电子设备中电源的可靠性和稳定性直接影响其运行的可靠性及性能指标，决定整个电子设备任务的成败[7]。遥测装置采用外部28 V供电，采用隔离DC-DC可实现16 V～40 V宽压输入，通过LDO低压差线性稳压源转换为采集电路和射频电路需要的工作电源，电源电路逻辑示意图如图4所示。

图4 电源电路逻辑示意图

电源电路中TVS瞬态抑制二极管，可以对尖峰电压有效抑制；浪涌抑制器可以对电源瞬态电压进行抑制，保护后端电路正常工作。EMI滤波器用于滤除供电电源中高频杂波和干扰信号，同时避免电源模块产生的电磁辐射泄漏到外面，以减少对外界的干扰。

2.5 数模混合编码设计

所有模拟数据和数字量需要按照确定的帧格式进行混合编码，以便通过遥测数据处理。

遥测帧采用反码副帧格式，帧内包括模拟数据、数字量数据、同步字和标识字等部分，帧格式如图5所示。

图5 遥测帧格式

混合编码程序在FPGA程序内部实现，主要由模拟信号采集模块、数字量接收模块、混合编码模块组成。内部的模拟量和数字量缓冲由FPGA内部的RAM构成，逻辑示意图如图6所示。

图6 FPGA程序逻辑示意图

模拟信号采集模块按照设定的遥测帧结构格式控制AD7682进行选通模拟开关，并启动AD转换,采集完成后将ADC值写入缓冲，并切换模拟开关采集下一路模拟信号，采样率由数据帧结构确定。

数字量接收模块的主要功能是对接收的数字量进行实时解码和缓存。串口接收模块按照数字量的波特率进行数据提取，当检测到数据的起始位后启动数据采集直到检测到停止位结束，将提取到的8位有效数据位送入数字缓冲模块。为了确保数字量接收不丢帧，在接收模块中采用“乒乓模式”[8]缓冲结构。通过数据选择开关，在第一个遥测帧周期内将数据存储到缓冲1，在第二个遥测帧周期内数据流切换到缓冲2，在此期间，缓冲1可以进行读操作，在第三个缓冲周期时，数据流又切换到缓冲1，与此同时，缓冲2可以进行读操作，后续流程以此类推，实现了实时数据的无缝缓冲和传输。

混合编码模块根据遥测帧周期定时读取模拟缓冲和数字量缓冲数据，将各数据写入遥测帧的预定位置，同时插入帧同步字和帧计数器等标识字。由于数字量为异步传输，发送周期不确定，当数字量无法填满遥测帧波道时，需要采用空闲字填充。

3 防护设计

在高冲击环境下，巨大的冲击力会对遥测装置内部电路产生较大的作用力，因此需要对壳体内部进行了合理的缓冲设计。在遥测装置内部电路板空隙处进行灌封处理，使其与外部结构成为一个有机的整体，灌封后的遥测装置可以有效地抵抗高过载和强烈振动的冲击[9-11]。通过特殊的结构设计和电装工艺，确保产品可耐受高冲击过载，确保产品在炮射过程中正常工作。