箭載力學信號的無線采集系統

張利威，郭 濤，周天浩，李 慧，譚秋林

(1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室, 太原 030051;2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室, 太原 030051)

火箭在發射或者星箭分離過程中會產生強烈的沖擊和持續不斷的振動，當箭上儀器設備所受到的振動和沖擊力達到或者超過其所能承受的最大值時，就會使儀器設備的局部或者整體發生故障，嚴重時會導致儀器設備損壞，解決這些問題對火箭成功發射具有重要的意義[1]。目前，箭上力學監測仍大量搭載模擬傳感器，不同類型的傳感器需配備不同類型的變換器，多點監測使用長線方式進行信號傳輸，安裝不便，連線復雜，接口容易松動。對此提出了一種無線力學監測方法應用于火箭艙內，完成火箭發射和星箭分離過程中對振動沖擊信號的測量[2]。

1 系統硬件設計

1.1 總體結構設計

MEMS加速度傳感器作為源節點敏感單元將測量到載體的加速度模擬量接入無線傳輸節點內，由節點內部的調理電路以及控制芯片對其進行調理轉換，最終通過節點將采集的數據通過WIFI無線發射至匯聚節點，匯聚節點的主要功能是收集并融合處理其網絡內各個傳感器節點采集轉交過來的信息上傳至箭上數據處理中心，匯聚節點主要負責無線傳感器網絡與以太網絡之間的通信，根據對力學監測系統的功能分析，選用數據集中管理模式[3]。圖1集中管理模式下的無線力學采集系統總體結構。

圖1 系統總體結構框圖

1.2 無線監測節點設計

要實現實時箭上力學監測需要節點具有較高的精度和采樣率，在該條件下的監測會有大量數據產生。針對大量數據所帶來的數據存儲、運算和無線傳輸過程中的問題，要求監測節點必須具備高運算能力和存儲能力[4]。該無線力學監測節點由電源供電、主控芯片、模擬信號調理、數據存儲以及無線發射5個部分組成。監測節點的內部結構如圖2所示。

圖2 監測節點內部結構

節點的控制核心選用STM32F405RG單片機；供電模塊采用法國SAFT公司研發的的兩塊容量為2 600 mAh的電池供電，在滿電情況下輸出的電壓為7.2 V，該電芯可以在極端環境下(極冷，極熱)保持良好的特性，可以應用于航天領域；選用中北大學研制的壓阻加速度傳感器作為監測節點內部監測瞬態沖擊敏感單元，量程±10 000g，靈敏度0.33 (uv·g-1)，工作電壓2.5 V，頻響范圍為：5～10 kHz，置于無線監測節點內部；對于振動傳感器模塊來說，需要克服在火箭升空瞬間產生的高達幾萬g值的沖擊，若傳感器的抗沖擊能力較差則會造成傳感器的嚴重損壞，導致其功能完全失效。本監測節點選用中北大學研制的單軸電容式加速度計作為監測節點內部監測振動量的敏感單元，量程為±50g，傳感器靈敏度為13.5 μv/g，頻響范圍為：5～2 000 Hz，該器件具有良好的抗沖擊能力；為了減小功耗，縮小節點PCB板面積，本設計采用STM32F405內部ADC完成采集和模數轉換功能，設置轉換位數為10位，采集精度為4.8 mv，采樣頻率設置為20 kHz；本監測節點采取先將數據存放在microSD卡中進行分包壓縮處理待信道有足夠余量時再進行數據傳輸，選擇8 G的SD卡作為數據存儲模塊，通過 Cortex M4處理器自帶的SDIO總線接口訪問，通過測試該芯片的的讀寫速度≥5 MB/s。

無線模塊也是力學監測節點的核心模塊，無線模塊主要負責數據的發送與指令的接收[5-6]。 CC3100 的射頻為單端輸入輸出，發送時，信號由 Pin 31發出，經過一個帶通濾波器 (BPF)以抑制二次和三次諧波和帶外雜散[7]，再經過一個值為500 Ω的阻抗匹配網絡，由信號通過2.4 GHz 的天線輻射。天線模塊電路以及CC3100配置芯片如圖3所示。

圖3 CC3100配置芯片和天線模塊電路

1.3 無線匯聚節點設計

無線匯聚節點是連接監測節點與數據處理中心的中介[8]，匯聚節點利用無線網絡接收監測節點采集的力學數據后存儲到大容量SRAM中，對數據進行融合處理后然后通過以太網端口將監測數據傳送箭上數據處理中心。由射頻傳輸模塊、電源管理模塊、中控模塊、數據存儲模塊以及以太網通信模塊5個部分構成。圖4為該無線匯聚節點的結構圖。

圖4 無線匯聚節點結構圖

無線匯聚節點采用與監測節點同系列的Cortex-M4內核的STM32F415微處理器；無線射頻模塊采用CC3100芯片；擴展存儲器選用Samsung公司的K9K8G08U0E 8 GB NAND Flash。

對于以太網通信模塊來說，STM32F415內置以太網MAC層，要實現以太網通信，在硬件設計時需外接PHY芯片為太網提供的接入通道[8]，通過器件的對比選型，最終選LAN8720作為本設計的以太網PHY層芯片。LAN8720芯片外轉電路如圖5所示。

圖5 LAN7820芯片外圍電路

2 數據融合處理

在本系統中多個監測節點將采集到的加速度數據發送到匯聚節點，對于同方向鄰近節點來說，匯聚節點將收到的多個信息源數據通過數據融合算法成一條有用信息，通過以太網發送至箭上數據處理中心[9-10]。匯聚節點采用自適應融合算法對多個源節點采集的數據進行處理。該算法的核心思想即在總方差最小的條件下，通過對各節點內部的傳感器測量值進行加權融合，尋找與之對應的最優加權因子，得到每個傳感器所對應的最優權重值。該方法下每個節點內傳感器對應不同的權重值，經過融合處理后監測數據值達到最優[11]。

若對兩個不同的傳感器p、q采集的數據進行數據融合處理，其測得某一時刻的值為Xp、Xq，對應的零均值平穩 噪聲為Vp、Vq,自適應加權法的計算步驟如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

在振動臺上放置8個監測節點，同時開始測量，經過計算并結合上述算法，其測量值方差如表1。由算法可得最優加權因子如表2。

表1 傳感器對應方差

表2 每個測量值對應的最優加權因子

對比兩表可知，測量誤差值小的加速度計對應的加權因子大，誤差值大的加速度計對應的加權因子小，匯聚節點采用自適應加權算法進行數據融合處理，提高了系統的測量精度[12]。

3 系統實驗

3.1 無線傳輸距離測試

實際應用中火箭艙內的通信距離<30 m， 設置無線監測節點的發射功率為20 dBm,天線增益為10 DBI，匯聚節點接收靈敏度為-74 dBm的條件下進行，監測節點與接收節點最大有效距離為60 m，進行6次測試，每增加(或遞減)10 m進行一次傳輸。設定每秒發送一次數據，當監測節點發送完 1 000 個數據包之后，通過監測軟件查看匯聚節點接收到數據包個數，通過簡單計算得到傳輸過程中的掉包率。測試結果如表3。

表3 室內通信測試

由以上測試結果可知，節點距離小于30 m時，通信較為穩定，當節點距離大于30 m時，通信質量逐漸下降。

3.2 沖擊測試

對系統進行上電，將沖擊臺高度設置好后，進行兩次沖擊實驗同時系統開始采集以及傳輸，將上傳至上位機的沖擊信號數據包進行分析處理繪制出波形圖,圖6、圖7分別在6 000g、9 000g值下，數據包進行處理所得到的波形圖。

沖擊臺所設置標準峰值加速度為6 000g時，所采集的峰值加速度為6 299.54g，沖擊臺所設置標準峰值加速度為9 000g時，所采集的峰值加速度為9 146.84g，綜上所述由沖擊實驗數據分析，6 000g、9 000g值下對系統進行沖擊實驗，系統均能在2 ms內良好的捕捉到沖擊信號，平均測量誤差為3.3%，滿足要求。本文所設計的無線力學監測節點在1～10 000g的有效量程內，獲取到的瞬時沖擊信號有效。

圖6 6 000 g下系統采集結果

圖7 9 000 g下系統采集結果

3.3 定頻實驗

在完成節點的無線傳輸可靠性能測試和沖擊實驗的基礎上，還需要評估振動監測模塊是否能夠良好的準確的完成箭上振動信號的拾取[13]。選取監測節點的一個軸向，固定于振動臺，用頻率設為1 000 Hz、1 500 Hz的聲波進行定頻實驗，定頻實驗結束后將匯聚節點收集到的數據用Matlab軟件進行分析處理，通過所得到的波形查看在設定頻率下無線監測系統的激勵響應是否良好，來判斷系統對振動參量的監測性能。圖8、圖9分別為X軸1 000 Hz、1 500 Hz的定頻實驗頻譜圖。

圖8 X軸1 000 Hz定頻實驗頻譜圖

由定頻實驗數據可知，監測節點在1 000 Hz、1 500 Hz都有較好的激勵響應，譜線清晰，本文所設計的無線力學監測節點在 5～2 000 Hz 的有效采樣范圍內，拾取到的加速度信號有效。

圖9 X軸1 500 Hz定頻實驗頻譜圖

4 結論

提出了適合本系統的自適應數據融合算法，經過融合處理后監測數據值達到最優。初步完成了監測節點與匯聚節點的實驗測試主要包括傳輸距離測試，沖擊試驗和定頻實驗。經過測試，無線力學采集系統在有效量的監測量程和頻率范圍內，可以完成對振動信號的連續采集以及0～10 kHz沖擊信號的瞬時捕捉，兩節點均能有效完成數據的實時存儲和無線傳輸，而且整套裝置體積小、操作方便、安裝靈活、具有良好的抗沖擊能力。