氫氧發動機緊急關機測試的多路信號源設計

丁博深， 段 燕， 李艷艷

(北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

氫氧發動機是國內外液體火箭發動機發展趨勢之一，近年來得到蓬勃發展。在氫氧發動機地面試驗準備過程中，要對地面試驗系統進行程序檢查，主要目的是驗證發動機試驗出現參數異常時，測控系統能否及時執行自動緊急關機程序[1]。程序檢查時，通常需要用到3類信號源模擬發動機上的關鍵參數，信號類型包括：正弦波頻率信號、毫伏級電壓信號和高/低電平信號。根據程序檢查實際需求，每次測試8～10個關機條件，每個條件需人工將多個模擬信號調節至特定范圍，這種調節方式不僅影響了試驗準備效率，還存在人工誤操作風險。

目前，國內氫氧發動機試驗程序檢查時，實現模擬信號加載的方式普遍有兩種：一種是用多臺信號源實現信號模擬；另一種方式是將多路頻率發生器和電壓信號源客制化在一臺設備上，該方式較第一種方式減少了信號源設備，但每次程序檢查仍需根據不同關機條件分別調整多個模擬信號大小。此外，還有基于NI板卡簡易的模擬緊急關機參數方式，但需要控制器和模塊支持，只適用于基于NI采集控制設備的系統。

由于每個關機條件中的要調節的模擬信號范圍相對固定，為了實現控制每個條件的信號同時自動輸出，本文用STM32F103ZET6作為主控制芯片，通過SPI與AD9851通信，令其產生預設的頻率信號，通過串行傳輸與DAC8554通信，令其產生預設的毫伏級電壓信號，為了進一步降低偏移誤差，獲得更高的分辨力，電壓輸出后用精密電阻分壓，實現了精準的低電壓輸出。同時，STM32的I/O口控制三極管輸出高/低電平信號。用串口屏實現人機交互。通過單擊屏幕上不同條件按鍵，向STM32發出不同指令，對應輸出所需的一系列信號。

1 背景

目前氫氧發動機試驗自動緊急關機的參數判讀由采集系統的工控機完成。若出現異常，工控機發送DO信號給控制臺執行緊急關機操作，如圖1所示。緊急關機判讀的參數隨發動機原理不同而各異，由相應的傳感器轉換成電信號傳輸給采集系統，通常包括轉速和壓力參數。某些型號發動機高空模擬試驗判讀參數還包括真空壓力參數。

圖1 緊急關機過程框圖

信號源設計要求與傳感器輸出形式和量級相關。試驗所用的應變式壓力傳感器，最大輸出約10 mV，因此，電壓模擬信號范圍要求在0～10 mV之間。為了保證模擬的壓力信號穩定和設置的關機條件的準確性，要求電壓設置精度優于0.5 mV，分辨力優于0.5 mV，噪聲峰峰值小于1 mV。

真空壓力測量通常使用電容薄膜式或壓阻式變送器，輸出4～20 mA電流信號并通過采樣電阻轉為1～5 V電壓信號。試驗時，當真空度高于一定數值，即真空傳感器輸出5 V以上電壓時，認為滿足關機條件，執行緊急關機。因此，真空壓力的模擬信號輸出≥5 V和≤1 V的兩種電平信號，即可滿足程序檢查需求。

轉速信號的輸出是正弦波電壓信號，該信號通過預處理儀轉成TTL電平，采集系統通過測量TTL周期來實現頻率測量，如圖2所示。根據程序檢查需求，信號源需滿足可程序控制輸出0～1 kHz正弦波信號，設置精度優于1 Hz，分辨力優于1 Hz。

圖2 頻率測量原理圖

2 電路設計

信號源主控芯片為意法半導體(ST)的STM32F103ZET6單片機，其具有3個SPI通信口、5個串口、2個12-bit的D/A，最高主頻72 MHz，滿足信號源自動控制功能的實現，在低功耗、低電壓運行等基礎上實現了高性能。信號源原理框圖如圖3所示。

圖3 信號源原理框圖

2.1 電源設計

(1) 帶載能力。

對負載芯片功耗進行統計計算。STM32F103在不同應用條件下，工作電流不同，最大為150 mA；DAC8554不同供電電壓下，工作電流不同，最大為0.95 mA[2]；5 in HMI電阻屏非SLEEP模式額定電流為350 mA；AD9851不同供電電壓下額定電流[3]如表1所示。

表1 AD9851額定電流

假設僅用線性電源，理論上總電流如表2所示。

表2 總電流計算 單位：mA

表2每個芯片以額定電流最大值計算，忽略電阻損耗。計算結果顯示整個電路驅動電流約為761.9 mA，小于1 A，信號源設備采用帶負載能力1 A的電源。

(2) 散熱。

STM32工作電壓VDD=2～3.6 V，本文選擇3.3 V供電；DAC8554和AD9851數模兩部分電源供電分開，供電電壓3.3 V或5 V。為了最小化系統，提高轉換效率，采用開關電源變壓后給信號源供電。同時，采取表3所列措施減少電流輸出，減小壓降，從而降低熱耗。

表3 降低熱耗措施

表3中的措施3是為了保證模擬信號輸出較低噪聲，采用散熱較好的D2PAK封裝L7805線性穩壓器輸出5 V電壓，其熱性能參數如表4所示。

表4 L7805熱性能參數

用以下公式[4]計算散熱功率:

T=T0+RthJA×P

(1)

式中，T為電路正常工作時，線性穩壓器的溫度；T0為環境溫度；P為線性穩壓器以熱形式耗散的功率。

通過式(1)計算L7805理論溫升小于23 ℃。室溫20 ℃下，其實際溫度僅比體溫稍高。

(3) 干擾。

為了減小數模之間干擾，將數字和模擬部分的5 V供電分開，一路由金升陽DC-DC模塊K7805為數字部分供電，一路由ST公司的L7805為模擬部分供電，壓降到5 V后，各自進LDO芯片AMS1117-3.3，實現3.3 V輸出，如圖4所示。通常數字電路干擾較大，除數模電源分開外，模擬地與數字地也分開敷設，最終在9 V電源負處匯集，防止干擾。

圖4 電源設計框圖

2.2 電壓模擬信號設計

為實現可控的電壓模擬信號輸出，采用D/A轉換的方式。由設計要求，輸出至少有0.5 mV的分辨力。參考電壓為4.5 V，位數由式(2)計算得出，12位以上的D/A可滿足要求。

4500mV÷0.5mV=9000>212

(2)

為了達到更高分辨力，電壓模擬信號輸出采用D/A芯片DAC8554，該芯片是德州儀器(TI)公司推出的一款4路16位D/A芯片。主要性能指標如表5所示。

表5 DAC8554主要性能指標

該芯片具有較高分辨力，參考電壓5 V下，模擬量輸出分辨力約0.08 mV。信號源采用2個DAC8554，實現8路電壓信號輸出。

芯片電路設計原理圖如圖5所示。

圖5 DAC8554電路設計原理圖

由于D/A輸出的穩定性依賴于參考電壓，這里采用REF5045電壓基準芯片[5]的輸出作為VREFH參考。

2.3 頻率模擬信號設計

正弦波頻率輸出采用AD9851芯片，該芯片是亞德諾半導體(ADI)公司的一款高集成度DDS頻率合成器，主要性能指標如表6所示，滿足頻率分辨力優于1 Hz的設計要求。信號源采用2片AD9851，實現2路頻率信號輸出。

表6 AD9851主要性能指標

頻率發生芯片AD9851用SPI進行通信，通過串行模式輸送數據，減少端口占用。電路原理圖[6～8]如圖6所示。

圖6 AD9851電路設計原理圖

2.4 高低電平電路設計

利用三極管的截止/飽和工作狀態可模擬輸出高/低電平狀態，原理圖如圖7所示。

圖7 三極管原理圖

單片機輸出數字信號Pin為“0”時，三極管截止，Pout輸出高電平DVCC(5 V)； Pin為“1”時，三極管飽和，Pout輸出低電平VCE(sat)。信號源用2個三極管開關電路，實現2路高低電平信號輸出。

3 軟件設計

在Keil MDK開發環境下對STM32控制和交互程序進行設計[9]，編程邏輯基于中斷，若HMI串口屏的Tx發送數據，STM32產生中斷接收數據，根據接收數據不同輸出不同模擬信號。程序流程圖如圖8所示。

圖8 STM32程序流程圖

3.1 STM32與AD9851通信

AD9851默認為并行傳輸模式，因本文使用的是串行傳輸模式，需設置D7～D0為xxxxx011。

上電后，STM32控制RESET(高電平有效)置0，接著對RESET置1，置1時長大于5個時鐘周期，此時AD9851開啟默認的并行傳輸模式，隨后，立即執行圖9所示的時序設置，才能順利完成串行設置。

圖9 AD9851串行設置時序圖

值得注意的是，根據AD9851傳輸時序(如圖10所示)，STM32的SPI應設置為：串行同步時鐘的空閑狀態為低電平，在串行同步時鐘的第一個跳變沿(上升或下降)數據被采樣；數據傳輸從LSB位開始。然后使能SPI，進行40個控制字的傳輸，設置完成后，AD9851實現波形輸出。

圖10 AD9851傳輸時序圖

3.2 STM32與DAC8554通信

DAC8554輸出電壓與參考電壓和分辨力相關，計算公式為

(3)

式中，DIN為要輸入給DAC寄存器的二進制數。本文的VREFL=0，VREFH=4.5 V，根據不同輸出值，可計算出16位DIN。設置好包括DIN在內的24位控制字后，根據DAC8554設置時序，對STM32進行程序編寫。

DAC8554輸出的穩定性依賴于電壓基準，而4路通道輸出電壓的準確性則與表5中的性能指標有關。因此，實際使用中，程序中所用的DIN和VOUT關系公式需要校準。本文采用簡單的兩點線性校準：設置485和64741兩個16位數據作為DIN，用六位半表分別測量兩個數字量的輸出電壓VOUT，根據兩組數字量和電壓值，擬合一條直線(其中b為斜率，a為截距)，作為DIN和預設輸出電壓VOUT的實際曲線，即

DIN=a+b×VOUT

(4)

用上述方法求出式(4)中的a和b后，即可在程序中用該公式計算DIN。

3.3 人機交互程序設計

信號源人機交互采用淘晶馳X5系列5 in電阻觸摸屏，分辨率為800像素×480像素。程序設計包括界面設計和通信代碼編寫，編程語言為類C語言，與STM32指令數據通過串口傳輸。

4 接地和系統調試

本文用到的9 V 1 A電源適配器為單相二腳插頭，沒有地線。考慮到三相不平衡時，中性線電流不能均衡為零，其中含有大量諧波分量，且中性線導體上存在與地導體壓降[10]，本文將電路板地與其他設備共地，令其與整個測量系統共用一個回流地點，有效減小干擾，圖11為接地前后頻域對比圖，可以看出接地后工頻干擾減小。

圖11 接地前后頻域圖

完成設備連接后，進行整體系統調試。調試內容包括：

① 72 h不間斷硬件拷機測試，確保設備長時間運行穩定性。

② 測量系統與自動化設備聯調，記錄并測試采集數據中輸出邏輯的正確性。電壓信號5 min內波動不超過0.01 mV。

經計量部門校準，電壓計量0～10 mV設置精度優于0.2 mV，頻率計量精度達到0.02%。

5 結束語

基于氫氧發動機試驗準備過程中測試需求，設計了一臺人機交互式自動化信號源。該信號源用STM32單片機進行控制，實現了2路正弦波頻率信號輸出，8路模擬電壓信號輸出，2路高低電平信號輸出，每一路輸出值均可自動化調整，在滿足了現場需求的基礎上，最小化設備，減少人工操作，節約時間成本。

信號源輸出信號種類和路數較多，滿足不同型號發動機試驗需求。該類自動化設備的廣泛應用，是今后發動機試驗的發展趨勢之一。