面向航天器地面测试的双参量同步采集与无线传输系统设计

李 刚, 程 博, 崔 娟, 张成飞, 郑永秋, 郝晓剑, 薛晨阳

(1. 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051; 2. 内蒙航天动力机械测试所, 内蒙古 呼和浩特 010076)

0 引 言

航天器地面测试作为研制和总装过程的重要环节, 扮演了整器加电测试前的辅助、 测试过程中关键状态控制、 重要信号测量的角色, 以获取被测航天器定性、 定量的参数信息, 并进行相应的处理和评定[1-3]。 目前, 航天器地面测试主要为非同步的有线测量, 难以满足多种过载环境参量的同步采样要求, 并且存在线缆繁冗、 维护困难、 传输距离有限的缺点。 多过载环境参量同步采集可分析时域下参量之间的状态关系, 无线传输可以满足测试设备快速布设与远距离数据传输的需求, 对于航天器地面测试的可靠性、 有效性、 便携性具有重要意义。

韩海安等[4]开发了一种多通道同步采样系统, 实现了低比差与低相差采集的功能。 安金坤等[5]分析了航天器地面无线测试中微多普勒频移引起测试链路中断的现象, 提出采用天线分集技术改善无线测试链路的传输质量的方法; 王飞[6]实现了航天器数据采集的无线传感器网络层协议, 采用多种方式降低了通信延迟; 陈明玺等[7]采用三轴加速度计实现了工程结构振动的远程监测系统, 完成了单参量远程低速无线采集与数据传输; 吴进等[8]仿真了LoRa物联网系统所支持的高速GFSK通信方案, 验证了LoRa与GFSK调制动态切换的可行性。

针对当前航天器地面测试中缺乏面向过载环境的双参量同步采集与高速无线传输系统难以实现对多种环境参量进行远距离、 实时监测的问题, 本文提出一种集成高速率无线传输及双通道同步采集功能的地面环境远程监测系统, 为多参量、 远距离的航天器地面测试提供了技术支持。

1 系统设计方案

1.1 系统组成

本文面向航天器地面测试中过载环境的双参量同步采集与无线传输系统设计的构成部分有: 数据采集与无线转发器、 无线接收器、 上位机人机交互软件, 该系统各部分组成如图1 所示。 基于地面测试环境的加速度和压力过载参量同步传输的要求, 设计了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的双通道同步采样硬件电路。 根据远程数据传输需求, 定义了无线传输协议, 建立了面向远距离无线电(Long Range Radio, LoRa)的无线传输和面向高速率的高斯频移键控(Gauss frequency Shift Keying, GFSK)的无线传输两种模式, 使压力与向心加速度传感参量同步无线传输到上位机, 完成显示与存储。 同时, 设计了闪存(Flash EEPROM Memory, Flash)模块, 备份无线通信前端设备中的检测数据, 保证无线通信功能异常时数据的可靠存储。 上位机读取无线接收器对应端口号的数据, 完成数据的显示、 绘图、 统计、 存储等功能。

1.2 数据采集与无线转发器设计

数据采集与无线转发器完成系统主要的功能。 压力与加速度传感器将测得的非电量信号转换为电量信号, 再由调理滤波电路转化为0～5 V标准电压信号, 最终由双通道同步模数转换芯片将模拟信号同步转化为数字信号, 模数转换芯片通过高速串行外设接口(Serial Peripheral Interface, SPI)与FPGA进行数据通信。 时统信号为不同测试单元之间统一的时间基准[9], 信号类型为数字量输入, 与设备预留的数字量输入构成数字量输入模块。 工作状态输出用于向地面测试系统的中央控制室反馈设备工作状态, 与同样为数字量的预留数字量输出构成数字量输出模块。 数字量的输入输出部分增加光电耦合电路进行隔离, 对于数字量输入增加高压输入限幅电路, 防止高压输入造成设备损坏。 FPGA与Flash闪存芯片通过高性能 I/O 操作的异步数据接口完成通信。 无线通信模块与FPGA采用UART接口协议通信, 具有使用简单、 无需时钟信号等优势。 程序下载电路采用标准的联合测试工作组(Joint Test Action Group, JTAG)接口, 可以通过上位机进行程序下载与程序在线调试。 FPGA的异步串口通信协议采用TTL电平, 使用通信协议转换芯片转换为RS-232通信协议的通信电平, 完成与上位机的有线通信。

1.3 无线接收器设计

无线接收器完成数据与命令的接收与发送。 无线接收器与上位机采用通用串行总线(Universal Serial Bus2.0, USB2.0)进行数据交互, 同时USB接口为无线接收器供电, 以简化无线接收器电路设计。 无线通信模块需要稳定的供电电压及电流, USB2.0的供电能力为5 V@500 mA, 理论上可以满足无线接收器的电能需求, 但实际情况中存在传输线缆线损, 即传输线缆存在压降。 为解决供电电压降低导致无线通信模块传输性能下降的问题, 在无线接收器供电末端采用DC/DC升压模块进行升压, 保证无线通信模块的最佳性能。

2 硬件电路设计

本系统针对航天器地面测试中过载环境下的压力与向心加速度双通道同步采集的要求, 选用基于MEMS工艺的加速度传感器[10]与电阻应变式压力传感器[11]。 数据采集与无线转发器安装在被测设备或旋转试验台上, 设计与选型兼顾小体积、 低重量, 降低对被测设备的影响。 无线通讯中频率高的电磁波在单位时间内发送更多的波, 具有更高传输速率的同时传输距离会随之下降, 综合考虑选择2.4 GHz的通信频率。

2.1 双通道同步A/D采样模块设计

旋转试验台搭载航天器进行地面测试, 采集旋转试验台的向心加速度及航天器的压力可以计算航天器的推力。 依据有线测量所间接获取的压力与加速度的历史数据可知, 旋转试验台的加速度小于30 g, 压力传感器测试位置的最大压强小于20 MPa, 压力与加速度信号的频率小于2 kHz。

航天器地面测试需要同步实时获取压力与向心加速度的数据, 并且分析数据间的关系。 因此, 需要在同一时刻对上述两个参量进行A/D数据采样。 双通道同步A/D采样模块电路图如图2 所示。

图2 双通道同步A/D采样模块电路图Fig.2 Circuit diagram of dual-channel synchronous A/D sampling module

系统采用具有双通道同步采样功能的ADS8353芯片, 其AD转换位数为16 b, 最大采样速率为600 kSPS, 具有±2.5最低有效位与89 dB信噪比[12]。 然而, 受到功率、 相位角或阻抗等参数影响, 双通道同步采样过程仍会存在信号抖动。 高采样率可降低信号抖动[13], 且目标信号频率小于2 kHz, 本设计采用30 kSPS的采样速率, 在满足数据通信速率的前提下, 实现高精度同步采样。 采用TLV272输入与输出轨对轨运算放大器搭建电压跟随器, 扩大输入与输出电压范围。R20与C35,R33与C43组成RC滤波电路, 截止频率的1/5为4 517.3 Hz, 信号频率小于该频率时有良好的低通滤波特性, 满足设计要求。

2.2 无线通信模块设计

无线通信模块为双工通信, 数据传输方向为数据采集与无线转发器到无线接收器, 命令传输方向与此相反。 由于采用全双工通信会降低数据传输速率, 因此, 选用半双工通信, 既可以满足双向通信需求, 也能保证较高的数据传输速率。 系统采用E28-2G4T27SX无线通信模块, 其电路图如图3 所示。M0,M1,M2为无线通信模块的工作模式选择, 串口完成数据与命令的交互。

图3 无线通信模块电路图Fig.3 Wireless communication module circuit diagram

选用的无线通信模块的最大发射功率为27 dBm, 支持LoRa, FLRC, GFSK调制模式, 支持高速连续传输, 理想条件下的通信距离达7 km[14]。 该模块主控芯片为SX1281, 采用UART串口与FPGA通信, 工作频段为2.4 GHz～2.5 GHz。

2.3 Flash存储模块设计

本地存储作为备份的存储方式, 可有效提高数据存储安全性。 Flash存储具有优异的性能、 高效的存储密度、 较大的存储容量。 因此, 选用镁光公司生产的MT29F64G08AFAAA型号存储颗粒, 其内部具有两个独立的逻辑控制单元, 闪存阵列使用基于页面的操作进行编程和读取, 并使用基于块的操作进行擦除[15]。 该Flash芯片通过5个控制信号与高性能 I/O实现异步数据接口, 即用高度复用的 8 b总线来传输命令、 地址和数据, 精简了外部的连接。 Flash芯片有定义的引脚, 直接连接FPGA通用引脚, 完成通信连接, 在设备状态监视引脚R/B与R/B2接入1 K的上拉电阻, 达到抗干扰的目的。

2.4 有线通信模块设计

有线通信作为无线通信出现故障之后的备用通信模式, 主要功能为无线通信失效后读取Flash芯片中的数据, 通信速率与可靠性之间优先考虑可靠性。 串行异步通信无需同步时钟信号, 节省硬件成本的同时便于长距离数据传送, 选用广泛应用于工业控制与数据传输领域的RS-232串行异步通信协议, 可满足10 m内有线通信需求。 串行异步通信协议转换芯片选用MAX3232, 由3 V～5.5 V直流电源供电, 速率可达250 kbit/s[16], 以其高可靠性广泛应用于工业 PC、 数据中心和企业级联网等领域, 可完成TTL电平与RS-232电平的相互转换。 数据采集与无线转发器的有线通信电路设计如图4(a)所示。

(a) TTL串口转RS-232串口电路

无线接收器使用有线通信向上位机传输接收到的数据。 通用串行总线(USB)是一种广泛应用在计算机领域的接口技术, 具有传输速度更快, 支持热插拔以及连接多个设备的特点, 该接口也可为外接设备供电。 采用CH340E芯片实现串口转USB2.0的功能[17], 该芯片具有内部晶振, 提供小巧的MSOP10封装, 通信速率可达2 Mbps。 无线接收器的有线通信电路设计如图4(b)所示。

2.5 数字量输入输出模块设计

光电耦合模块降低设备因静电导致损坏的概率, 电路图如图5 所示。 输入与输出信号采用1 K的上拉电阻保持信号的稳定。 输入电压设计为5 V, 流经光耦的电流约为10 mA, 大于HCPL0631的导通电流。 输入端使用LL4148开关二极管, 可以将静电快速释放, 防止后端电路受到损伤。 限流电阻R28与R36限制了流经LL4148的电流, 防止尖峰电流对器件的损坏。

图5 数字量输入与输出电路Fig.5 Digital input and output circuit

2.6 供电模块设计

电源作为系统的“心脏”, 供给各个模块运行所需的能量, 供电质量直接决定了设备运行的性能。 传输线缆的压降导致无线通信模块传输性能下降, 无线接收器电源输入端采用MP3414A开关电源芯片升压, 保证无线通信模块的最佳性能。 供电示意图如图6 所示, 电源芯片选型如表1 所示。

表1 电源芯片选型表Tab.1 Power supply chip selection table

图6 供电示意图Fig.6 Power supply schematic

无线传输的供电需尽可能降低节点的能耗[18], 数据采集与无线转发器采用开关电源与线性稳压源的方案, 搭建电源模块, 以提高能量利用效率的同时降低电源纹波。 经功耗分析仪系统测试, 峰值功耗小于1 W, 为减小设备体积与重量对被测设备的影响, 采用单节长虹公司生产的耐低温18 650锂电池, 容量3 000 mAh、 最大持续放电电流3 A。 经计算, 供电时长大于10 h。

3 软件设计

3.1 数据采集与无线转发器程序流程

FPGA的运行逻辑为并行执行, 信号协调各个实体之间的工作时序, 并触发实体内的进程使其运行, 依据系统工作过程绘制的程序流程图如图7 所示。

图7 数据采集与无线转发器工作流程图Fig.7 Data acquisition and wireless transponder workflow diagram

数据采集与无线转发器在上电之后首先进行初始化, 设置外设的初始状态, 完成各个变量与信号的复位, 使设备各部分成为确定的状态。 初始化之后, 等待控制命令输入, 命令解码后进行相应的操作。 设备在使用之前, 需要手动下达Flash初始化指令, 清除上一次实验所遗留的数据。

3.2 无线接收器程序流程

无线接收器在上电之后首先进行初始化, 所实现的功能类同数据采集与无线转发器。 初始化完成之后使能无线传输模块与串口模块, 无线传输模块监听初始化过程中设置的信道, 将该信道的无线电波解调并解密, 解密后的数据存储在无线传输模块内部FIFO中, 通过串口发送到上位机。

3.3 无线数据分包格式

无线数据在传输过程中表现为数据流, 计算机接收数据后需要将收到的数据识别与分包, 提取数据流中具有特定含义的各项数据。 同时, 必须设置一个控制协议来规定数据的格式, 以便上位机能够理解数据的意义[19]。 因此, 无线数据数据包格式与空间划分如表2 所示。

表2 单包数据格式与空间划分表Tab.2 Single packet data format and space division table

数据包的包头作为数据包之间的分隔符, 每包数据分为4帧数据, 每帧数据分为通道A与通道B的A/D数据。 无线数据流中步长信息的占比高, 为提高数据流内检测数据的占比, 将无线数据中个别数据帧的步长信息进行省略。 数据包中的步长为第1帧数据的步长, 可由此计算得到本数据包中第2至4帧的步长。 每4帧数据省略后3帧数据的步长信息后, 在同等长度的数据流中, 检测数据的字节占比是未省略之前的1.5倍, 提升了单位时间内信息传输的效率。 数据包末尾为字加校验数值, 溢出的高位舍去。

3.4 上位机设计

采用Qt完成上位机软件的开发, 这是一款跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架, 允许真正的组件编程。 设计的上位机软件具有数据存储、 图像绘制、 参数设置、 最值显示等功能。 数据存储可以实现接收数据的自动保存。 图像绘制具有图像拖动、 缩放的功能, 可以实现特定区域的显示。 参数设置可以进行采样数值与实际数值转换的设置以及其他传输参数的设置。 最值显示可以显示该次实验的最大与最小检测值。

4 系统测试

4.1 采样性能测试

根据航天器地面测试实际的过载环境, 获得待测环境参量的范围。 采用ZQ-Y/6型电阻应变式压力传感器与MEMS加速度传感器分别进行1 MPa～20 MPa与1 g～30 g过载环境参量的数据采集, 经过变送器转化为频率小于2 kHz的0～10 V与0～5 V电压输出的电信号。 标准压力由CV-600T活塞式压力计产生。 加速度测试在实际测试平台完成, 设备安装情况如图8 所示。

图8 测试环境现场布置图Fig.8 Test environment site layout

采用CV-600T活塞式压力计产生1 MPa～20 MPa的压力, 取多个测试点完成3次重复实验, 每次随机取10个测量值, 计算数据的平均值。 测量负载距旋转中心的半径, 设定旋转平台角速度, 待旋转平台稳定后, 随机取10个测量值, 计算平均值, 重复实验3次。 实验结束后, 采用最小二乘法完成数据的拟合, 拟合曲线如图9 所示。

图9 加速度与压强检测结果曲线拟合图Fig.9 Curve fit of acceleration and pressure detection results

传感器检测与模数转换的过程中存在误差, 系统在1 MPa～20 MPa与1 g～30 g的工作范围内, 检测压力的误差约为0.19%, 检测加速度的误差约为0.16%, 满足检测需求。

4.2 同步采样性能测试

旋转台与活塞式压力计无法使传感器产生标准的动态信号, 4.1采样性能测试章节证明了系统静态精度指标符合设计要求, 因此, 采用信号发生器产生标准的动态信号模拟传感器的输出信号, 检验系统同步采样过程中动态信号检测的性能。 信号发生器产生一路含有偏置电压的标准正弦信号, 同步采样通道A与通道B同步采集该信号, 并将数据传输到上位机。 对数据进行FFT计算, 得出两通道信号频率。 取相同时刻的采样点100个, 计算通道A与通道B之间差值的标准差, 以确定接收的数据是否满足双通道同步采样的要求。 改变输入信号频率与幅值, 重复实验得到不同频率下的实验结果, 测试结果如表3 所示。

表3 同步采样测试结果表Tab.3 Synchronous sampling test results table

由表3 可知, 采样过程存在信号抖动, 信号源频率的提升导致偏差增大, 在设计的频带范围内, 双通道采样数据的信号频率相同且差值的标准差小于0.12, 满足同步采样的要求。

采样频率与信号频率的差值越小, 模数转换对于信号的干扰越严重。 当采样频率保持一定时, 随着输入信号频率的提升, 系统的采样误差增加至0.366%, 动态精度指标满足需求。

4.3 存储性能测试

待存储完成后, 发送Flash读取命令, 将实验数据读取到上位机中存储, 对比该数据与无线传输接收的数据, 计算无线传输过程中数据的接收率与误码率。 改变单次试验数据量并进行多次验证, 试验结果统计如表4 所示。

表4 Flash模块存储与读取测试结果表Tab.4 Flash module storage and read test results table

数据在存储与读取的过程中存在随机丢包, 系统数据存储与读取的综合准确率大于98%, 传输协议过滤不完整的数据包, 采样频率具有冗余, 因此满足数据存储需求。

4.4 无线传输测试

数据采集与无线转发器向外传输确定数值与数量的数据流。 接收器在预定地点接收数据并存储至上位机中, 统计接收到数据的总字节数, 记录此时的传输距离。 在不同传输距离、 空中速率等条件下, 测得无线数据传输情况如表5 所示。 无线电波受空间环境的干扰产生错包与丢包, 无线数据传输在各个测试条件下的准确率均大于96.5%, 传输协议过滤错误的数据包, 无线传输的数据具有冗余, 因此满足无线传输需求。

表5 无线数据传输情况表Tab.5 Table of wireless data transmission

4.5 上位机测试

使用通道A与通道B同时采样1路标准信号, 数据无线传输至上位机, 分别显示通道A与通道B的波形并保存数据。 经过测试与数据分析, 上位机设计符合预期要求。 上位机界面显示如图10 所示。

图10 上位机数据采集实时显示界面Fig.10 The real-time display interface of the upper computer data acquisition

5 结 论

本研究提出的面向航天器地面测试的双参量同步采集与无线传输系统, 采用基于FPGA的双通道同步A/D采集设计, 设计了数据无线传输与本地存储模块, 对无线数据传输分包协议进行了优化, 实现了长距离LoRa和高速率GFSK两种无线传输模式。 经测试, 系统满足动态信号的检测与实时传输的设计要求。 系统在1 kbps的最低传输速率下, 可实现高达1.2 km的传输距离; 在2 Mbps的最高传输速率下, 可实现0.5 km的无线传输。 信号源频率在4 kHz以内, 可实现包括向心加速度和压力的双过载参量的同步采集。 该双参量同步采集与无线传输系统满足了数据同步采集的要求, 同时具有远距离、 高准确率数据无线传输的功能, 能够用于航天器地面测试与远距离实时监测。