空間原子氧探測器數據采集系統的設計與實現

高青松　景春妍　陶　院　陸登柏　蔣炳軍　崔　陽

(蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，甘肅 蘭州　730000)

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空間原子氧探測器數據采集系統的設計與實現

高青松景春妍陶院陸登柏蔣炳軍崔陽

(蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，甘肅 蘭州730000)

原子氧是低地球軌道中對航天器影響最為嚴重的環境因素之一。原子氧通量測量是研究原子氧效應與防護工作的基礎，是評估航天器材料和部件(空間原子氧)使用壽命的重要參數。石墨膜傳感器可用于空間原子氧通量的測量。針對石墨膜傳感器，設計了一種信號檢測與數據采集電路，用于傳感器輸出信號的檢測與調理、信號模數變換、數據采集、處理以及測量狀態的控制。測試表明，該系統數據采集精度高，具有適合空間環境應用的特點。

原子氧探測器數據采集信號檢測DSPA/D轉換傳感器

0　引言

原子氧是低地球軌道殘余大氣的主要成分。原子氧的密度不是很大(105～109cm-3左右)，溫度也不是很高(1 000～1 500 K左右)。衛星的高速飛行，增大了原子氧對衛星表面材料的撞擊能量(約5 eV)及通量密度。如在300 km軌道高度，原子氧的年積分通量達到1022atoms/cm2。即使在400 km的軌道，航天器迎風面的原子氧年積分通量[1]也達到了1021atoms/cm2。原子氧是極強的氧化劑，會對衛星表面材料或器件產生嚴重的氧化剝蝕作用，是衛星表面材料或器件退化的主要因素之一。因此，進行原子氧空間飛行探測試驗，為低地球軌道航天器環境防護設計提供了可靠的數據支持，對我國低地球軌道航天器長壽命、高可靠技術發展具有非常重要的意義[2]。

空間原子氧探測器主要由石墨膜傳感器、數據采集系統和地面數據處理軟件三部分組成。數據采集系統實現石墨膜傳感器信號檢測與調理、信號數據采集與處理、探測器狀態監測以及總線通信功能，配合嵌入式軟件，實現系統的工作模式切換、啟動測量、探測數據傳輸等任務。

1　組成與工作原理

石墨膜為電阻型原子氧傳感器，具有體積小、質量輕、功耗低、成本低廉、結構簡單可靠等優點[3]，其工作原理是利用原子氧對石墨材料的氧化作用，使石墨氧化生成CO或CO2氣體后揮發，使得石墨膜的厚度變薄，石墨電阻值增加。由電阻變化可推算出石墨體積的變化，用下式表示：

(1)

式中：ΔV為被原子氧剝蝕掉的石墨膜體積,cm3;W為石墨膜的寬度，cm;L為石墨膜的長度，cm;τ0為石墨膜采樣前的厚度，cm;R0為石墨膜采樣前的電阻，Ω;R為石墨膜采樣后的電阻，Ω。

原子氧剝蝕的石墨體積是一定的，因此，通過體積變化又可推算出石墨膜經受的原子氧通量，由下式表示：

(2)

將式(2)代入式(1)，可得：

(3)

石墨膜傳感器工作原理如圖1所示。

圖1　石墨膜傳感器工作原理圖

通過數據采集系統測量石墨電阻變化量以及對應時間，就可計算軌道上一定時間的原子氧密度以及原子氧年積分通量。數據采集系統由數字信號處理器電路、信號檢測與調理電路、有源低通濾波電路、模數變換電路、存儲器電路、通信接口電路、二次電源變換電路以及嵌入式軟件等部分組成。系統構成框圖如圖2所示。

圖2　系統構成框圖

數據采集系統工作模式為：在系統上電后進入待機狀態，星務計算機下發測量啟動指令，然后系統開始數據采集、數據處理、數據存儲及數據傳輸。連續測量一定時間后，星務計算機下發測量停止指令，系統停止測量工作，轉入待機狀態。

2　 數據采集系統電路設計

2.1信號檢測與調理電路

根據石墨膜傳感器的電阻輸出特性，信號檢測與調理電路基準源可采取電壓型和電流型兩種方案，其電路原理如圖3所示。

圖3(a)中:Ra、Rb、Rd為石墨膜固定參考電阻，Rc為石墨膜敏感測量電阻。參考電阻與敏感測量電阻材質相同，具有相同的溫度系數。根據原子氧通量密度測試范圍109～1015atoms/cm2/s，可得電阻變化為3～30 kΩ。圖3(a)中：Ra、Rb、Rc、Rd的初始電阻值為3 kΩ，原子氧剝蝕后Rc增大為30 kΩ，變化量為27 kΩ。

圖3　檢測與調理電路原理圖

電橋輸出電壓的表達式為:

(4)

設剝蝕前4個起始電阻為R0，剝蝕后電阻變化量為ΔR，將R0和ΔR代入式(1)，可得：

(5)

由式(5)可以看出，當R0遠大于ΔR時，輸出非線性較小;但當R0遠小于ΔR時,非線性將很大。因此，無論電壓型基準源電路輸出的電壓非線性大小，非線性都完全存在。同時，如果調理電路不放置在探頭內部，會因遠距離產生線路損耗使基準源電壓衰減或受到干擾，使信號誤差增大。

根據圖3(b)、式(4)和式(5)，可以列出電流源型電路輸出電壓的表達式為:

Uout=IrefΔR

(6)

由式(6)可看出，采用電流源基準源方案，其優點為輸出線性，不受傳輸距離限制，兩路電流由同一電流源產生，一致性好，不需要溫補，在數據處理和標定時更為方便。設計采用B-B公司電流源REF200構成的檢測電橋，其輸出基準電流為200μA，電流精度為±0.25%，溫漂為25×10-6/℃[4]，電源電壓輸入為2.5～40V,后接由放大器AD620構成的測量放大電路。信號檢測與調理電路如圖4所示。

圖4　信號檢測與調理電路示意圖

根據電阻變化，電橋輸出差分電壓為0～5.4V，儀表放大器AD620的增益[5]取為62kΩ，即放大1.8倍后，輸出電壓為0～10V。兩路基準電流由同一器件輸出，電流源產生的最大電流誤差為1μA，換算成電阻測量誤差為135Ω，電阻測量誤差最大為0.5%。由于四個橋臂傳感器按照同一工藝制作，且初始狀態和所處環境相同，因此能夠消除因溫度變化而產生的漂移誤差。

2.2有源低通濾波器

當地面測試時，為抑制50Hz工頻干擾時原子氧探測器測量精度的影響，在測量放大電路后增加一級有源低通濾波器。采用1級2階切比雪夫低通濾波器，運算放大器采用OP07，截止頻率設計為17Hz[6]。低通濾波器電路原理如圖5所示，其幅頻特性見圖6。

圖5　低通濾波器電路原理圖

圖6　低通濾波器幅頻特性曲線圖

2.3模數轉換及DSP電路

石墨膜傳感器待測電阻為四個通道，狀態監測信號為兩個通道，因此共需采集六個通道模擬量信號。采用16位模數變換器AD976、低導通電阻模擬開關ADG528以及運放OP07構成電壓跟隨器構成的模數轉換電路[7]。AD976接口電路原理如圖7所示。

采用TI公司型號為TMS320VC33的DSP構成最小系統[8]。其接口電路主要包括：時鐘電路、看門狗電路、存儲器電路以及總線驅動電路等，設計采用RS-422接口驅動器件DS26C31和DS26C31與DSP串口連接，實現數據通信[9]。

圖7　AD976接口電路原理圖

3　系統軟件設計

數據采集系統軟件的功能是完成對石墨膜傳感器電阻信號和狀態遙測信號采集、數據處理、組包和存儲，接收RS-422總線通信口的指令數據，進行工作模式選擇、探測數據以及狀態遙測數據的發送。系統程序流程如圖8所示。

圖8　系統程序流程圖

軟件由以下幾個部分組成。

①初始化。探測器入軌后系統供電，當DSP上電運行時，通過引導程序(BootLoader)將可執行程序從片外程序存儲器內裝載入DSP內部RAM后運行，完成DSP各寄存器、全局變量以及軟件各模塊等參數的初始設置，然后進入主程序。

②主程序。該程序用于完成石墨膜傳感器信號和狀態監測信號的通道切換控制、A/D轉換、數據采集、數據處理以及數據組包存儲等，數據處理包括數字濾波、數據單位轉換處理[8-10]。

③外部中斷處理程序。該程序用于完成總線指令的接收、處理以及探測數據、狀態數據的發送。

④定時器中斷程序。該程序用于完成本地時鐘自走時和廣播校時處理。

4　測試結果

在蘭州空間技術物理研究所原子氧地面模擬試驗室，對石墨膜傳感器進行了原子氧剝蝕試驗，第一通道測試結果如圖9所示。采用直流多值精密電阻箱對探測器數據采集系統進行了測試，第一通道測試結果如表1所示，其他通道測試結果相似。

圖9　第一通道測試結果示意圖

標準電阻/kΩ實測值/kΩ測量誤差/%1.00.9970.303.02.9880.406.76.6920.109.99.9020.0210.09.9980.0220.019.9970.02

5　結束語

石墨型空間原子氧探測器可以探測空間試驗室、空間站等航天器運行在300～400km的低地球軌道高度時，原子氧密度對航天器表面材料產生的剝蝕效應，從而判定航天器表面材料的使用壽命。研制的空間原子氧探測器數據采集單元的電阻測量范圍為3～30kΩ，測量誤差小于0.4%，實現了系統的各項功能與性能要求。后續將開展地面階段的空間環境適應性考核試驗(力學、熱學等)，為探測器實現空間在軌應用和開展我國原子氧環境空間飛行試驗技術研究奠定堅實基礎，滿足我國長壽命航天器環境可靠性技術發展的需求。

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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年畢業于西南交通大學電氣工程專業，獲碩士學位，工程師；主要研究方向為空間環境探測載荷信號測量技術、嵌入式技術。

TH7;TP216+.1

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201609025

修改稿收到日期：2016-03-17。