基于星型鏈路的飛行器高碼率數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

在飛行器的研制和試飛階段，耗資巨大，每次試驗(yàn)必須盡可能多地獲取飛行器內(nèi)部各系統(tǒng)的工作狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，為進(jìn)行故障分析和評定飛行器的性能提供依據(jù)。目前飛行器上各設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，常依靠設(shè)備自身的高精度晶振來實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備上數(shù)據(jù)同步，在數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)長時(shí)間工作時(shí)，尤其是高碼率傳送信息時(shí)[1]，由于晶振頻率漂移積累的時(shí)間誤差，在傳輸過程中帶來大面積碼元偏置，造成數(shù)據(jù)誤碼率偏高；在對遙測參數(shù)進(jìn)行特殊的隔離處理時(shí)，會(huì)出現(xiàn)時(shí)間延遲大、采集精度惡化等問題。

為了解決飛行器上大容量數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)恼`碼率偏高和遙測參數(shù)精度惡化問題，設(shè)計(jì)了一種基于星型鏈路的高碼率數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了航天飛行器高碼率數(shù)據(jù)隔離采集、存儲(chǔ)、傳輸和故障隔離，實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的高可靠采集和傳輸。

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

1.1 網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在圖1的網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有6個(gè)設(shè)備，需要15條傳輸鏈路。如要連的設(shè)備有n個(gè)，所需鏈路將達(dá)到n(n-1)/2條，信息傳輸通路多，當(dāng)某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障[2]，可以隔離該設(shè)備切換至其它傳輸鏈路傳遞信息，信息傳輸鏈路冗余多。顯然，這種方式只有在地理范圍不大、設(shè)備數(shù)量很少的條件下才能使用。

圖1 網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，端點(diǎn)之間的通信必須經(jīng)過中心節(jié)點(diǎn)，如要連的設(shè)備有n個(gè)，則共需(n-1)條鏈路。該結(jié)構(gòu)有便于集中控制、易于維護(hù)和安全等優(yōu)點(diǎn)。某端節(jié)點(diǎn)設(shè)備因?yàn)楣收隙C(jī)時(shí)也不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)間的通信，但中心節(jié)點(diǎn)必須具有極高的可靠性，因?yàn)橹行墓?jié)點(diǎn)一旦損壞，整個(gè)系統(tǒng)便趨于癱瘓。因此中心節(jié)點(diǎn)通常采用雙機(jī)熱備份，以提高系統(tǒng)的可靠性。

圖2 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的傳輸媒體從一個(gè)端節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)端節(jié)點(diǎn)，直到將所有端節(jié)點(diǎn)連成環(huán)形，如圖3所示。如要連的設(shè)備有n個(gè)，則共需n條鏈路。這種結(jié)構(gòu)消除了端節(jié)點(diǎn)通信時(shí)對中心節(jié)點(diǎn)的依賴性，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要有信息轉(zhuǎn)發(fā)功能。

圖3 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的每個(gè)端節(jié)點(diǎn)都與兩個(gè)相鄰的端節(jié)點(diǎn)相連，因而存在著以單向方式操作點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，便有上游端用戶和下游端用戶之分[3]。圖3中若按逆時(shí)針傳遞信息，設(shè)備5是設(shè)備6的上游端用戶，設(shè)備6是設(shè)備5的下游端用戶。如果設(shè)備6需將數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備5，則幾乎要繞環(huán)一周才能到達(dá)，系統(tǒng)響應(yīng)延遲大。由于各端節(jié)點(diǎn)共享環(huán)路，因此需要采取措施(如令牌控制)來協(xié)調(diào)控制各端節(jié)點(diǎn)的發(fā)送。

1.4 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，必須確保端節(jié)點(diǎn)使用總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不能出現(xiàn)沖突，主要用于分時(shí)工作的網(wǎng)絡(luò)中。在一點(diǎn)到多點(diǎn)方式中，對線路的訪問依靠控制端的探詢來確定。

圖4 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)費(fèi)用低、數(shù)據(jù)端接入靈活、站點(diǎn)或某個(gè)端節(jié)點(diǎn)失效不影響其它站點(diǎn)或端節(jié)點(diǎn)通信，但是一次僅能一個(gè)端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，其它端用戶必須等待到獲得發(fā)送權(quán)后方可發(fā)送數(shù)據(jù)，訪問獲取機(jī)制較復(fù)雜。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于星型鏈路的飛行器高碼率數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)主要由傳感器、采編單元、中央處理器等組成，系統(tǒng)總體組成原理框圖如圖5所示。每個(gè)傳感器感應(yīng)被測對象的物理參量，并將物理參量轉(zhuǎn)換成電信號輸出至對應(yīng)的采編單元；采編單元采用一體化設(shè)計(jì)完成傳感器供電、信號采集和編碼，除了自身設(shè)備使用的電源模塊外，采編單元內(nèi)部還集成了給傳感器供電的電源模塊，可以輸出配套傳感器常用的+5 V、±15 V供電電壓，相應(yīng)的采編單元對接收到的電信號依次進(jìn)行濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后送至中央處理器；中央處理器根據(jù)預(yù)定邏輯對每個(gè)采編單元進(jìn)行時(shí)序控制，使采編單元按照預(yù)設(shè)邏輯輸出數(shù)據(jù)；同時(shí)，中央處理器同時(shí)接收多個(gè)采編單元輸出的數(shù)據(jù)并集中處理，按預(yù)定格式編排在內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，之后將并行信號轉(zhuǎn)換為串行信號輸出給調(diào)制和發(fā)射設(shè)備。

圖5 系統(tǒng)組成原理框圖

在該數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)中，各采編單元之間的通信必須經(jīng)過中央處理器，該結(jié)構(gòu)有便于集中控制、易于維護(hù)和安全等優(yōu)點(diǎn)，某采編單元因?yàn)楣收隙C(jī)也不會(huì)影響其他采編單元間的通信,實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)隔離。同時(shí)在飛行器不同研制階段，當(dāng)對遙測參數(shù)進(jìn)行增加和刪減時(shí)，只需要增加相應(yīng)的傳感器和采編單元，無需對系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的靈活性。為了確保中央處理器具有較高的可靠性，防止中央處理器出現(xiàn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，中央處理器采用雙機(jī)熱備份的工作模式，即中央處理器由主份機(jī)和備份機(jī)組成，當(dāng)主份機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，由遙控指令或者自主判別切換，將控制權(quán)由主份機(jī)快速轉(zhuǎn)移到備份機(jī)控制，大大提高了中央處理器的工作可靠性。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 供電與信號采集模塊

采編單元的供電與信號采集模塊采用一體化設(shè)計(jì)，采編單元內(nèi)部除了自身設(shè)備使用的電源模塊外，采編單元還集成了給傳感器供電的電源模塊，供電與信號采集模塊和傳感器連接示意如圖6所示，兩種電源模塊互相獨(dú)立、互不影響。通過兩種電源模塊的使用，將給傳感器供電的功能集成在采編單元內(nèi)部，采編單元通過設(shè)備內(nèi)部電纜在同一個(gè)對外接插件上實(shí)現(xiàn)了對傳感器的供電及信號采集接口，降低了電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)難度和重量，簡化了測控通信系統(tǒng)配套設(shè)備的種類和數(shù)量。

圖6 供電與信號采集模塊連接示意圖

給傳感器供電的電源模塊采用14～40 V寬輸入的DC/DC直流變換器，為各傳感器提供所需的+5 V、±15 V電源?？紤]到電磁兼容，在電源變換器之前，增加濾波器。其功能框圖如圖7，再經(jīng)過EMI濾波器和DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為+5 V、±15 V電壓送至到各傳感器。

圖7 電源模塊原理框圖

3.2 隔離采集模塊

采編單元的隔離采集模塊由第一級放大器、第二級放大器、光電耦合器、第三級放大器、多路切換開關(guān)、第四級放大器、A/D變換器組成，如圖8所示，需要采集的信號依次經(jīng)過第一級放大器、第二級放大器、光電耦合器、第三級放大器、多路切換開關(guān)、第四級放大器實(shí)現(xiàn)信號的阻抗匹配和隔離采集，在進(jìn)行完信號預(yù)處理之后[4]，可以保證進(jìn)行A/D變換時(shí)信號的低阻抗?fàn)顟B(tài)，便于后端AD芯片進(jìn)行信號采集，實(shí)現(xiàn)了信號隔離采集，同時(shí)消除了波道切換之間的路際干擾。

圖8 隔離采集組成框圖

具體隔離采集電路如圖9所示，放大濾波電路由四級放大濾波器組成，第一放大器231與電阻R1、R2共同構(gòu)成第一級放大濾波器，第二放大器232與電阻R3～R5構(gòu)成第二級放大濾波器，第三放大器234與電阻R6構(gòu)成第三級放大濾波器，第四放大器236與電阻R7構(gòu)成第四級放大濾波器。實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，第一級放大濾波器的電阻R1可分別取不同阻值，阻值范圍在0 Ω～3 kΩ之間。當(dāng)R1取值為0 Ω時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電壓跟隨器功能，輸入電阻高、輸出電阻低、輸出與輸入同相位，實(shí)現(xiàn)阻抗變換功能。同時(shí)根據(jù)R1取值不同，使得放大濾波器帶寬不同，可以濾除信號中不同頻率范圍的噪聲[5]。第三級放大濾波器的電阻R6、第四級放大濾波器的電阻R7與第一級放大濾波器的電阻R1的取值和原理相同。多級放大濾波器組合在一起，可以對信號進(jìn)行逐級放大和多個(gè)頻率段噪聲的濾波。

圖9 隔離采集電路圖

第二放大器232為反相輸入，其輸出信號與輸入信號反相，輸出阻抗低，可以提高信號的驅(qū)動(dòng)能力，以便有足夠能力驅(qū)動(dòng)光電耦合器。光電耦合器對有隔離要求的信號變換參考電位，使光電耦合器的輸入端與輸出端具有不同的參考電位，電容C1～電容C4為濾波電容，作用是消除信號中的高頻波動(dòng)信號和干擾，避免對后端信號造成影響。

3.3 非隔離采集模塊

采編單元的非隔離采集電路包括多路切換開關(guān)、放大器[6]、A/D集成電路、電阻R31、電容C31，如圖10所示；不需要隔離采集的信號輸入端與多路切換開關(guān)輸入端相連，多路切換開關(guān)的輸出端與放大器的正向輸入端相連；放大器的負(fù)向輸入端通過電阻R31與其輸出端相連；放大器的輸出端與A/D集成電路的輸入端相連，放大器的輸出端還通過電容C31接地；A/D集成電路的輸出端在采編單元內(nèi)部經(jīng)過GM8164芯片進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換之后輸出。

圖10 非隔離采集電路圖

多路切換開關(guān)采用Analog Devices公司的ADG406，開關(guān)反應(yīng)典型時(shí)間120 ns，可以適應(yīng)高碼率數(shù)據(jù)采集過程中對遙測參數(shù)的高頻率波道切換。A/D集成電路采用Analog Devices公司的AD7821，將輸入的信號進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換[7]，輸出并行8bit數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的中央處理器、采編單元在單周期內(nèi)工作流程如圖11所示，系統(tǒng)上電工作后，中央處理器的默認(rèn)主機(jī)和備份機(jī)首先進(jìn)行狀態(tài)自檢，將自身的狀態(tài)信息送雙機(jī)轉(zhuǎn)換和切權(quán)電路進(jìn)行判斷，確定當(dāng)權(quán)的中央處理器。進(jìn)入工作狀態(tài)后，在每個(gè)周期工作的起始，當(dāng)權(quán)的中央處理器輸出自身的數(shù)據(jù)同步、時(shí)鐘信號給多個(gè)采編單元，采編單元在數(shù)據(jù)同步、時(shí)鐘信號的驅(qū)動(dòng)下按時(shí)序控制依次輸出采集后的數(shù)據(jù)給當(dāng)權(quán)的中央處理器。當(dāng)權(quán)的中央處理器在進(jìn)行多個(gè)采編器數(shù)據(jù)編排和匯總前，再次對自身狀態(tài)進(jìn)行檢查，若工作正常，則輸出本周期內(nèi)匯總的數(shù)據(jù)，同時(shí)準(zhǔn)備下一個(gè)采樣周期時(shí)鐘信號；若工作狀態(tài)異常，則舍棄本周期內(nèi)匯總的數(shù)據(jù)，同時(shí)跳轉(zhuǎn)至默認(rèn)主機(jī)和備份機(jī)的自檢流程。

圖11 單周期內(nèi)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)工作流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)抽樣定理[8]，為了防止頻譜混疊，對于某個(gè)模擬量的采樣，奈奎斯特抽樣速率規(guī)定最小值為信號最高頻率fH的2倍，不但需要考慮不失真的恢復(fù)遙測信號，還需要盡量降低碼率。綜合考慮設(shè)備實(shí)際性能，按照3～4倍的信號變化頻率來對模擬量進(jìn)行抽樣。

數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)除了需要采集的多路模擬量之外，還需要傳輸圖像數(shù)據(jù)、其它系統(tǒng)的數(shù)字量數(shù)據(jù)、1553 B數(shù)據(jù)等內(nèi)容[9]。以某飛行器遙測參數(shù)為例，需要傳輸?shù)倪b測參數(shù)如表1所示。

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)的遙測參數(shù)數(shù)據(jù)容量達(dá)到了7 Mbps，試驗(yàn)結(jié)果如下：

1)對有隔離要求的30路電壓信號進(jìn)行隔離采集，經(jīng)測試，信號絕緣電阻在100 MΩ以上，采集精度不超過1%；

2)承擔(dān)中心節(jié)點(diǎn)的中央處理器采用雙機(jī)熱備份的工作模式，在故障注入的情況下，當(dāng)主份機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，經(jīng)自主判別和切換，可將控制權(quán)由主份機(jī)快速轉(zhuǎn)移到備份機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)的高可靠；

表1 某飛行器遙測參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3)在7 Mbps的高碼率傳輸情況下，初始電壓泄放波形如圖12所示。從圖12中可以看出，通過阻抗變換，在初始電壓為3 V的情況下，切換到下一個(gè)采集通道后，在約0.2個(gè)采樣周期內(nèi)可以快速穩(wěn)定到采樣電壓值。初始狀態(tài)的高電壓可以快速泄放，不會(huì)影響采集電路的抽樣和量化，避免了對采集電路產(chǎn)生路際串?dāng)_影響。

圖12 采集通道初始電壓泄放波形圖

6 結(jié)束語

本文針對數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的多參數(shù)快速切換、誤碼率偏高和遙測參數(shù)精度惡化問題，在多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種適用于飛行器上的星型鏈路高碼率數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，消除了異源晶振頻率漂移積累的時(shí)間誤差。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)能有效地滿足航天飛行器高碼率數(shù)據(jù)隔離采集、存儲(chǔ)、傳輸和故障隔離的要求，對飛行器上遙測參數(shù)的高可靠采集傳輸具有較好的工程參考意義。