作者/ 周决然 张怡文 上海航天操控技能研究所(上海 200233)
摘要：本文依据某火箭配套各级伺服机构产品油面电压及充气压力的静态测验，规划了一套便携式伺服机构静态检测仪。体系硬件选用模块化规划，分为数据收集模块、数据显现存储模块和供电模块，选用FPGA+A/D芯片的计划对高速数据收集处理和操控，依据AM3359的嵌入式单板机开发渠道对数据进行存储和实时显现，供电运用铅酸电池;体系软件选用依据Labview2011虚拟仪器技能，软件按功用分为数据收集模块、数据处理模块、数据存储模块和过错处理模块。体系具有丈量精度高，实时性好，操作简略和便携等长处，满意伺服机构的出产、试验、外场测验的需求。
导言
伺服机构是运载火箭操控体系的履行机构，依据操控体系的指令，伺服机构操控喷管的摆角或二次喷发阀门的开度，改动发动机喷焰的排出方向，完结火箭飞翔姿势操控。为了确保被测伺服机构产品作业牢靠性，需求守时对伺服机构进行静态测验。伺服机构的测验现场，现场环境杂乱，伺服机构体积较大，数量较多，占地比较涣散，数据测验频率较高，传统的伺服机构主动化测验体系，选用PC机+机柜的计划，尽管测验功用比较丰厚，能够测验伺服机构静态和动态参数，丈量精度更高，但其体积巨大，带着不便利，测验功率比较低。
本论文规划的伺服机构静态测验仪(以下简称静态测验仪)用于伺服机构产品的静态检测，信号的收集、调度依据克己板卡完结，存储和显现等功用依据嵌入式单板机完结，不需求独立的核算机，因而使得检测仪的体积大大减小，明显进步了仪器的小型化和便携化程度[1]。伺服机构和静态测验仪经过电缆衔接，能够一起丈量伺服机构一切静态参数，大大进步了静态测验的功率。文章具体介绍了油气压检测仪的组成、作业原理及软硬件规划。
1 体系作业原理
伺服机构产品的静态检测首要是指在产品不作业的状况下对多通道油面电压和充气压力等静态参数的检测。伺服机构的油面电压经过变阻式的方位传感器转化为量程为±15V的数值输出，转化系数为1V/V，充气压力相同经过变阻式的方位传感器为量程+6V的数值输出，转化体系为4.167MPa/V，静态测验仪需供给±15V和+6V电压给伺服机构，伺服机构内部原理图如图1所示。
静态测验仪体系由硬件部分、软件部分和电缆组成，硬件部分集中于一个独立的机箱，便携、牢靠，封闭性好，硬件首要由三部分组成，即数据收集模块、数据显现存储模块和供电模块。数据收集模块以FPGA为中心，对收集信号进行调度，操控ADC转化操作，终究以串口方法传送给数据到显现存储模块;数据显现存储模块存储选用AM3359的嵌入式单板机为开发渠道，收集数据在flash中，并在五颜六色触摸屏上显现;供电模块选用电池供电，分为两个部分，一部分为静态测验仪体系供电，一部分为伺服机构供电。测验软件选用Labview2011渠道编写程序，模块化规划，可读性好，可保护性好，操作便利。体系整体框图如图2所示。
2 体系硬件规划
2.1 数据收集模块
数据收集模块首要完结对收集信号的调度、模数转化和串口通讯。鉴于FPGA功用强大、逻辑速度快、集成度高、电路规划简略、开发周期短、编程装备灵敏等一系列长处，选用FPGA来操控ADC，并将处理后的数据经过串口送到数据显现存储模块，确保数据收集的实时性和准确性。
(1)依据产品的输出阻抗较小、输出电压值较高的特色，需求对产品信号进行电压跟从、分压和阻隔等数据调度，进步设备的输入阻抗，转化信号到适宜量程中。
(2)数据收集模块的收集通道数有6路，A/D转化芯片选用ADI公司的AD7656。AD7656为6通道16位逐次迫临型、低功耗、可处理输入频率高达8MHz的信号、最大收集速度为250kS/s的A/D转化芯片。
本规划运用AD7656高速并行接口，与FPGA并行衔接，作业原理如下:芯片内部包含六个ADC，分别由CONVSTA、B、C引脚操控转化开端，在CONVSTx的上升沿，被选中的ADC的盯梢坚持电路会被置为坚持形式，转化开端。在CONVSTx信号的上升沿后，BUSY信号会置1，这标明转化正在进行。转化时钟是由内部产生的，转化时刻是从CONVSTx信号上升沿开端的3μs，当BUSY信号变成低电平，标明转化完毕。在BUSY信号的下降沿，盯梢坚持电路回来盯梢形式，数据经过并行接口从输出寄存器中被读出，图3为AD7656并行接口字形式下的读操作数据流[2]。
(3)串口功用的完结首要有三个模块构成，即波特率产生器模块、发送模块和接纳模块[3]。
a.波特率产生器实践是一个分频器，从定体系时钟频率得到要求的波特率。RS-232-C有一系列波特率规范：2400b/s、4800b/s、9600b/s、14.4kb/s、19.2kb/s等。一般来讲，为了进步体系的容错性处理，要求波特率产生器的输出时钟为实践串口数据波特率的N倍，N能够取值为8、16、32、64等。在本规划中，取N为16，波特率为9600b/s，因而，波特率产生器的输出信号频率应该为9600×16=153.6k/s，因为体系时钟为50MHz，经过核算，需求325分频完结9600波特率的产生。
b.发送模块：因为波特率产生器产生的时钟信号clk的频率为9600Hz的16倍，因而，在发送器中，每16个clk周期发送一个有用比特，发送数据格式严厉依照串口数据帧来完结：首要是开始位，其次是8个有用数据比特，终究是一位中止位。发送模块的状况搬运图如图4所示，包含5个状况：s_idle、s_start、s_wait、s_shift和s_stop。
其间，s_idle为闲暇状况，当发送使命已完结时，发送模块就处于s_idle状况，等候下一个发送指令tx_cmd的到来。s_idle中，发送完结指示tx_ready为高电平，标明能够承受发送指令。当tx_cmd有用时，发送模块的下一状况s_start。
s_start为发送模块的开始状况，拉低tx_ready信号，标明发送模块正处于作业中，并拉低发送比特线txd，给出开始位，然后跳转到s_wait状况。
s_wait为发送模块的等候状况，坚持一切信号值不变。当发送模块处于这一状况时，等候计满16个clk后，判别8个有用数据比特是否发送完毕，假如发送完毕，跳转到s_stop，完毕有用数据的发送;不然，跳转到s_shift状况，发送下一个有用比特。
s_shift为数据移位状况，发送模块在这一状况将下一个发送的数据移动到发送端口上，然后跳到s_wait状况。
s_stop状况完结中止位的发送，当有用数据发送完结后，发送模块进入该状况，发送一个中止位，发送完结后主动进入s_idle状况，而且将tx_ready信号拉高。
c.接纳模块：在承受体系中，为了防止毛刺影响，能够得到正常的开始信号和有用数据，需求完结一个简略的最大似然判定，其办法如下：因为clk信号的频率为9600Hz的16倍，则关于每个数据都会有16个样值，终究采样比特值为呈现次数超越8次的电平逻辑值，接纳模块的状况搬运图如图5所示，包含3个状况：s_idle、s_sample和s_stop。
其间，s_idle状况为闲暇状况，体系复位后，接纳模块就处于这一状况，一向检测接纳指令rxd是否从1跳变为0，一个开始位代表着新的一帧数据。一旦检测到开始位，马上进入s_sample状况，收集有用数据。
s_sample为数据采样状况，在此状况下，接纳模块接连采样数据，并对每16个采样值进行最大似然判定，得到相应的逻辑值，这一进程重复8次。然后顺次完结串并转化，直到接纳完8个数据比特后，直接进入s_stop状况。
s_stop状况用于检测中止位，为了使得接纳模块的运用范围更广，在这一状况等候必定的时刻后，直接跳转到s_idle。
(4) FPGA芯片运用的是Xilinx公司Spartan-3A系列的XC3S400A，选用90nm工艺，密度高达74880个逻辑单元。作业时钟为50MHz。FPGA开发工具选用Xilinx公司推出的ISE软件，装备形式上串行形式，选用串行PROM编程FPGA;规划输入方法是硬件描绘言语输入，依据A/D和串口的作业原理，选用Verilog硬件描绘言语编写A/D和串口程序。
2.2 数据显现、存储模块
数据显现、存储模块是对串口收集的数据进行显现和存储，选用SBC8600B作为硬件渠道。SBC8600B是英蓓特公司推出的一款依据AM3359的嵌入式单板机，具有丰厚的接口和外设，支撑Linux 3.2.0、WinCE 7及Android2.3三种操作体系。本规划中软件运用的是WinCE 7，显现器选用7英寸的五颜六色触摸屏，支撑各种干流通讯方法，体系硬件结构图如图6所示。
2.3 供电模块
为了满意便携式外表便携、简便，运转便利快捷的要求，本规划选用可充电电池供电。干流可充电电池首要有铅酸电池、镍镉电池和液态锂离子电池等，依据铅酸电池成本低、能够较大电流放电、健壮经用、安全性好等特色，选用Yuasa规范NP系列汤浅可充电铅酸电池，寿数5年，输出电压为12V，额外容量为12Ah，输出最大电流为0.25×容量=3A，经过测验整个体系耗费的电流不到2A，电池满意功率方面要求[4]。
3 体系软件规划
软件选用Labview渠道开发，该渠道具有共同的模块化多循环应用程序结构，能够进步程序的模块性，削减顶层结构图的巨细，提高应用程序的灵敏性、牢靠性、可保护性、可扩展性和稳定性。应用程序结构的灵敏性，能够经过将常用的功用元素区分为聚合的使命，并将并行循环应用于每个使命来优化。并行循环供给一起履行多个使命的灵敏性。Labview为每一个并行循环分配一个独自的线程，而每个线程能够运转在独自的并行处理机上。此外，并行循环答应运用While循环的推迟和守时循环的优先权来指定和调整每个使命的有限级。因而，依据多个并行循环的应用程序结构有助于优化应用程序的功用。软件按功用分为数据收集模块、数据处理模块、数据存储模块和过错处理模块。软件框图如图7所示。
数据收集线程完结的串口通讯，通讯方法、通讯参数、通讯协议在装备文件中进行主动装备，软件选用应对形式守时进行数据交互，然后对接纳数据进行数据解析，再把解析后的原始数据经过行列发送给数据处理线程和数据存储线程。
数据处理线程实时处理数据收集线程收集的测验数据，处理方法有均值处理、低通滤波处理、高通滤波处理、最大值最小值比对等各种处理方法。该线程的运转周期由收集线程运转决议，为被迫等候方法。
数据存储线程和数据处理线程相似，该线程实时存储数据原始数据和各种处理后的数据，便利用户过后查询历史数据，查验数据解析方法的功用和功用。
过错处理线程实时监测其他线程的状况，把过错类型分为不同等级：正告、一般、严峻。当其他线程运转进程中产生过错，该线程首要辨认该过错的等级，然后依照等级程度处理过错。若为正告过错，则记载该正告的辨认码、描绘等信息，不作处理，若为一般过错，则依据过错出处进行区分，收集线程中的过错，则当即中止采样，记载过错信息，退出软件，其他线程中的过错，作正告过错处理。若为严峻过错，处理方法与收集线程一般过错共同[5]。
4 测验体系完结
4.1 测验体系硬件什物
测验体系硬件什物如图8所示。测验体系的机箱选用派力肯公司的型号为1400的军用便携式机箱，具有抗震、防爆和密封等特性，机箱内部可设备触摸屏和操作面板，触摸屏为7英寸的五颜六色触摸屏，操作面板上有丰厚的接口。
4.2 测验体系的测验试验
经过规范外表万用表和静态测验仪分别对伺服机构产品的一路油面电压和充气压力进行测验，测验成果如表1所示。
5 定论
本文介绍用于伺服机构产品油面电压及充气压力检测的静态检测仪，选用模块化软硬件规划，依据AM3359的嵌入式单板机硬件开发渠道，软件选用Labview渠道开发，运用军用便携式机箱，完结了测验设备的小型化，便于设备的修正、保护和扩展，进步了设备的稳定性和牢靠性，满意伺服机构的出产、试验、外场测验的需求。实践试验成果标明，本文规划的伺服机构油气压测验设备满意油面电压及充气压力的静态特征测验需求，油面电压和充气压力精度均<0.5%。
参考文献：
[1]刘军山，王宁.依据ARM的便携式%&&&&&%耦合非触摸电导检测器[J].仪器设备与试验技能，2013,4(04):616-620
[2] 韩西宁，许晖，焦留芳.依据FPGA 的同步数据收集处理体系的规划与完结[J].测控技能与仪器外表,2009 (01)
[3] 徐文波，田耘. Xilinx FPGA开发实用教程 [M].北京：清华大学出版社,2012：259-274
[4] 夏永峰. 铅酸电池组快速充电设备的研发 [D]，重庆大学硕士学位论文,2008
[5] 陈树学,刘宣.LabVIEW宝典[M].电子工业出版社,2011
本文来源于《电子产品世界》2017年第1期第65页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
