多通道分布式航天器艙體健康數據采集方案設計

姜宇鵬 劉中偉 劉敏時 郭曉華 姜連祥

(1 山東航天電子技術研究所，山東煙臺 264670)(2 山東工商學院，山東煙臺 264005)

近年來，隨著航天技術的不斷發展，航天器的飛行速度及設計成本均大幅提高。為了幫助航天器設計人員綜合評價航天器設計及制造性能，通常需要在航天器內部設計參數采集及自主健康管理系統，實時采集航天器在發射及飛行過程中的工程參數和運行狀態，并通過一系列自主控制算法提高在軌自主運行效率，為航天器的健康狀態、故障模式判別及產品升級改造等提供科學、準確的數據支撐[1-2]。高性能航天器既需要健康數據采集系統的采集通道數量多、采集精度高，又對其質量和體積提出更加嚴苛的要求。

航天器長期工作于惡劣的太空環境，面臨著空間輻照、空間碎片撞擊、氣動加熱等，未來可能還會在地面與太空之間多次往返，其中應力交變、溫度交變及高頻振動等健康數據反映著航天器內部結構的疲勞、裂紋和屈曲程度，表面溫度、表面熱流、結構應變及振動參數可通過航天器遙測下傳，方便地面對航天器服役期間的狀態進行監測分析[3]。對于長線距離電阻量信號，文獻[4]中采用三線制方法采集熱敏電阻，并補償了接觸電阻及放大器漏電流的影響。文獻[5]中設計惠斯通電橋加兩級放大電路，與理論值線性擬合度為7.8‰。文獻[6]中將獲取的壓力傳感器陣列參數代入嵌入式飛行數據傳感(FADS)系統，無需依賴空氣動力學模型就可以建立起輸入與輸出的關系。文獻[7]中設計的飛行參數采集系統模擬量為71路，配合防毀記錄器存儲實時采集的數據。這些傳統的工程實現方法是配置多架數據采集系統[8]，存在因采集通路集成度不高造成體積、質量資源占比大的問題，因此工程應用中需要集成度、可靠度、精度更高的力、熱信號工程參數測量設備。

本文采用多通道模塊化的設計思想，重新將航天器艙體各類健康數據信號整合為應變信號、微弱電壓信號及高頻振動信號，并設計控制管理模塊完成數據采集及數據傳輸等功能，在有效減小系統體積、質量的同時，可實現92路高通量航天器健康傳感器的同步高精度采集，在工程應用中能夠占用最小資源對航天器艙體的力、熱參數完成實時采集下傳，可為航天器優化迭代設計提供數據支持。

1 艙體健康數據采集方案設計

目前，航天器結構設計中存在輕量化與高強度矛盾，尤其是在發射上升段和長期在軌階段航天器合金狀態、力熱參數的實時記錄，各類傳感器需要遍布艙體各處并同步采集。考慮到質量、體積的資源占比情況，采集精度越高、采集通道越多，其工程應用價值也越高，因此需要設計并實現能夠適應不同傳感器的多通道分布式健康數據采集方案，如圖1所示。

注：LVDS為低壓差分信號。圖1 健康數據采集方案設計Fig.1 Scheme design of health data acquisition

常用的健康監測傳感器包括結構應變片、溫度熱流傳感器及振動頻率傳感器。其中：主要采集艙體結構應變幅度的電阻式應變片信號變化范圍為[345 Ω,355 Ω]；表征艙體各點溫度、表面熱流及表面溫度的電壓式傳感器變化范圍為[-25 mV,+75 mV]；環境震顫引起的艙體結構振動量由振動傳感器輸出并且進行高頻采集。健康數據采集方案通過將原結構應變、溫度及振動信號分別采集的獨立單機進行集成整合，完成對上述3類傳感器輸入信號的調理放大、去噪聲及濾波，并由控制管理模塊統一進行數據流采集及信息傳輸。

1.1 電阻信號調理模塊

電阻式應變片是一種能將所受到的應變力轉化為電阻值變化的精密傳感元件，一般由Φ=0.02～0.05 mm康銅絲或者鎳鉻絲燒結成的敏感柵構成。在精密的工程測量中，由于應變片處于艙體各處，過長的導線會引入較大的導線線阻誤差[9]，因此本文采用四線制的接線法消除電路中的導線電阻、漏電阻等誤差電阻。外部兩根線提供電流，內部測量引線接高輸入阻抗運放，測量電路回路電流約為0，這種四線制采集測量方式能夠有效避免因不同線長引起的長線誤差阻抗Rlead，有效提高電阻信號采集精度。圖2為四線制電阻采集原理，圖中i為恒流源，恒定電流流經被測電阻，將電阻的變化量轉變為電壓信號；數據采集系統通過等長的導線回路測量被測電阻兩端信號電壓V，由于長線誤差阻抗Rlead相等，可以完全消除引線電阻的影響。

圖2 四線制電阻采集原理Fig.2 Schematic of four-line resistance acquisition

為了提高電阻信號的采集性能指標，使測量的微弱信號能夠更加真實地反映被測參數的大小及其變化規律，電阻信號調理模塊采用差動電橋技術提高信噪比。差動技術對電路零漂有著明顯的抑制；電橋電路能實現精密測量，利用其對稱性特點可以找到電位相同的點，以實現電路平衡。差動電路與電橋電路共同具有對稱性的特點，因此將兩種電路相結合，使測量結果更加精準、穩定。差動放大電橋原理如圖3所示。

圖3 差動電橋原理Fig.3 Schematic of differential bridge

平衡電橋的兩輸出端電壓信號U+和U-分別與差動運算放大器正相端、反相端相連，精密電阻R1，R3，R4和被測電阻Rx的電阻值相等(均為R)，構成電橋左右橋臂，其中，經過差動電橋調理輸出信號電壓為

(1)

式中：ΔR為被測電阻受到外界應力變化后電阻值的變化量；I為恒流源提供的恒定電流；G為放大倍數。

因為電阻信號變化量±5 Ω相對于橋臂電阻R非常小，則式(1)可近似為

(2)

因為多路應變片初始值存在差異，各通道的兩橋臂壓差ΔU不同導致采集初值偏差較大。采用閉環控制調零方法，采用比例-積分-微分(PID)控制算法快速調整多路數模轉換芯片的輸出值，將模擬量采集的碼值調整至ΔR為零點，信號經過多級放大后變化范圍與模數轉換輸入范圍一致。圖4為電橋調零原理。

圖4 電橋調零原理Fig.4 Schematic of bridge zero-fitting

1.2 微弱電壓信號調理模塊

在航天器飛行過程中需要實時監測艙體表面溫度、熱流密度、艙內溫度，通過分布艙體各處的熱電偶塞、熱流傳感器及艙壓傳感器測量50路溫度變化信息，微弱電壓信號幅度統一設計為-25～+75 mV，可包絡所有弱電壓的采樣需求，提高模塊化集成度。信號經過差動放大、開關選通及幅值調理后，進行模擬量采集。多通道微弱電壓信號調理模塊見圖5。

圖5 弱電壓信號調理模塊Fig.5 Weak voltage signal conditioning module

為提高信噪比，使測量結果能更加真實地反映被測溫度信號的大小及其變化規律，利用高輸入阻抗放大器構成差動放大電路，以有效地抑制共模噪聲[10]。由于溫度信號微弱，電壓信號需要采用性能優異的運算放大器進行百倍放大，從而精確地反映艙體溫度變化細節信息；而且，為了避免多通道并行設計相互串擾，采用差分放大技術實現對微弱電壓量的采集，以有效抑制噪聲。差分電壓采集見圖6。

圖6 差分電壓采集示意Fig.6 Schematic of differential voltage acquisition

由于溫度信號通道數量多，信號選通架構采用兩級選通，通過不同地址驅動切換采樣通道，這樣既能滿足局部劇變溫度信號的采樣要求，又可根據不同需求對重點艙體部位高頻次重復采樣。

1.3 振動信號模塊

環境振動傳感器監測艙體形變量信息，壓電集成電路(ICP)傳感器具有體積小、質量小、靈敏度高及頻響范圍大等特點，在工程參數測量領域應用廣泛。

在數據采集過程中，不可避免地會有低頻、高頻干擾信號混疊在有用信號當中，為了避免高速信號動態采集的干擾，設計六階巴特沃斯有源濾波器組成帶通濾波電路，以提高信噪比。采用二階巴特沃斯濾波器組成高通濾波器，設計下限截止頻率為5 Hz±1 Hz；采用四階巴特沃斯濾波器組成低通濾波器，設計上限截止頻率為3 kHz±100 Hz；為了實現通帶內頻響曲線最大限度的平坦，工程實踐中將各階電阻值設置為調試，且電容選取一類瓷介電容，以減小溫度變化對通帶門限的影響。仿真得到高通濾波器及低通濾波器的波形如圖7所示。

圖7 巴特沃斯濾波器仿真結果Fig.7 Butterworth filter simulation results

1.4 控制管理模塊

控制管理模塊(見圖8)采用模塊化設計思路，負責數據處理及轉發、遙控遙測、狀態自檢等功能。控制管理模塊采用數字信號處理器(DSP)與FPGA為核心的系統架構，其中，FPGA配置16位AD采集芯片及多級選通開關對92路模擬信號分時、分頻采集，并將采集得到的數據緩存、組幀通過LVDS接口發送至數據管理系統，同時增加RS422總線作為備份數據發送通道，以增加系統可靠性。

圖8 控制管理模塊原理框圖Fig.8 Schematic of control management module

控制管理模塊與數據管理系統通過高可靠1553B總線收發遙控遙測指令；DSP工作主頻為100 MHz[11]，通過內總線從Flash程序存儲器加載程序指令，同時內部集成抗輻照的非易失性存儲器(MRAM)用于存儲部分重要航天器艙體健康數據，作為延時遙測過境下傳。控制管理模塊可實時通過1553B總線接收航天器上的通道配置指令，在航天器入軌、再入等任務關鍵階段對頭部等關鍵結構部位進行表面熱流及結構振動情況的高頻次輪詢采集，入軌穩定后對結構應變、溫度等健康信息進行實時監測，以提高航天器健康狀態自主管理能力。

2 測試結果及分析

通過本文方案設計實現了某衛星的數據采集系統，如圖9所示。系統采用鎖緊插件式緊湊結構，以減小體積和質量。以精密電阻、干電池分壓及標準信號發生器作為信號輸入源，分別對數據采集系統的精度進行測試。

圖9 數據采集系統單機Fig.9 Data acquisition system equipment

2.1 電阻量信號采集

電阻信號調零采用350 Ω精密電阻作為調零參考基準，電阻值精度為±0.1%，所有通道調零后連續采集電阻值誤差范圍最大為0.01 Ω。隨機選取單通道測試電阻值采集結果，對345～355 Ω范圍進行采集，采集數值與精密電阻比對，采集結果及線性擬合如圖10(a)所示，單通道采集電阻值誤差在[-0.05 Ω,+0.05 Ω]；選取347 Ω精密電阻作為所有通道采集樣本，采集結果及線性擬合如圖10(b)所示，所有通道采集電阻值誤差均在[0.03 Ω,0.07 Ω]。

圖10 電阻通道精度與一致性結果Fig.10 Precision and consistency results of resistance channel

通過以上模擬應變電阻量信號的采集結果可以看出：所有采集通道的一致性非常高；宇航常用導線的電阻率一般為100～250 mΩ/m，相較于傳統單端模擬信號1%的采集精度，采用四線制及差動電橋方法，單通道采集精度大幅提高，達到5‰，多通道間差異率低于2‰。

2.2 微弱電壓信號采集

隨機選取單通道測試微弱電壓量采集結果，對-25～+75 mV范圍進行采集，采集數值與六位半量程萬用表采集結果進行比對，采集結果及線性擬合如圖11(a)所示，單通道采集電壓值誤差在[-0.2 mV,+0.2 mV]。以-10 mV作為所有通道采集樣本，采集結果及線性擬合如圖11(b)所示，所有通道采集誤差均在[-0.2 mV,+0.2 mV]。

通過以上微弱電壓信號采集結果可以看出：所有采集通道的一致性非常高；采用差分放大技術能夠有效抑制經過百倍放大后的共模噪聲，毫伏級弱電壓采集精度大幅提高，達到2‰；在多通道同時采集情況下，增加多種防串擾屏蔽措施，通道間差異率降至與單通道采集精度相同的量級。

2.3 頻率信號采集

采用標準信號發生器輸出10 V正弦信號模擬頻率傳感器輸出信號，調節輸出頻率覆蓋1 Hz～8 kHz，采集結果如圖12所示。二階高通濾波器的3 dB截止頻率為5.2 Hz，四階低通濾波器的3 dB截止頻率為2997 kHz，實測結果表明：該帶通濾波器與仿真結果一致，多通道間能有效濾除高頻及低頻的雜波干擾信號。

圖12 帶通濾波器實測結果Fig.12 Actual results of band-pass filter

健康數據采集系統結果表明：相較于傳統采集設備，健康數據采集系統采集精度提高1個量級，近百路的采集通道能夠適應大多數航天器的力、熱健康監測傳感器，通用性強，可靠程度高，設備具有數據存儲及下傳的功能，能夠協助航天器實時掌握整器健康狀態并啟動安全管理策略，顯著提升航天器自主健康管理水平。

3 結束語

本文采用四線制采集、差動電橋等技術設計了多通道分布式弱信號健康數據采集方案，并實現了多通道下的高精度健康數據采集系統應用。測試結果表明：該系統的應變壓力、溫度、熱流、振動等微弱電壓信號采集精度高，振動信號濾波效果與仿真設計值一致，在最小的資源占比下能實現92路多通道航天器艙體健康數據的高精度同步采集，可用于航天器實時健康監測與狀態評估，為航天器優化設計提供數據分析依據。