基于冗余主從節(jié)點架構的飛行器遙測參數(shù)采集系統(tǒng)研究

陳玉坤 梁 君 榮 剛 曾 發(fā) 李 愷

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

1 引 言

飛行器遙測系統(tǒng)的性能指標對導彈和運載火箭的研制進程及費用具有直接影響，對飛行器性能的改進和提高具有重要現(xiàn)實意義。隨著飛行器上各系統(tǒng)變得越來越復雜，對傳輸遙測參數(shù)的數(shù)量、種類、精度也提出了新要求[1]。數(shù)據采集系統(tǒng)是獲取飛行器工作狀態(tài)的重要手段，是遙測系統(tǒng)獲得信息的源頭，提高數(shù)據采集系統(tǒng)的可靠性、靈活性和重構性是十分重要的研究課題。

傳統(tǒng)的飛行器上遙測系統(tǒng)的采集設備和供電設備分離，各采集設備使用自身晶振時鐘采集和傳輸數(shù)據，承擔信息匯總的中心節(jié)點可靠性不高，出現(xiàn)故障會造成數(shù)據采集系統(tǒng)癱瘓[2]。為有效解決上述問題，本文設計了一種具有冗余節(jié)點的高可靠器載遙測參數(shù)采集系統(tǒng)，通過狀態(tài)監(jiān)測和切權電路，可實現(xiàn)冗余節(jié)點之間的快速切換。該系統(tǒng)可避免多個采集通道之間的路際串擾影響，提高遙測參數(shù)的采集精度，環(huán)境適應性大大提高，對于工程應用具有一定的指導意義。

2 系統(tǒng)總體方案及工作原理

2.1 系統(tǒng)方案

基于冗余主從節(jié)點架構的飛行器遙測參數(shù)采集系統(tǒng)的構成包括中央處理器(主機、備機冗余)、采編單元、各種類型的傳感器，系統(tǒng)組成原理如圖1所示。傳感器通過敏感元件感知被測參量的變化，通過傳感器輸出電壓大小和被測參量的物理量建立某種對應模型[3]；采編單元接收傳感器輸出的電壓信號，為了提高信號準確度，依次進行濾除雜波、信號放大、采樣、編碼等處理，最終將模擬量變換為數(shù)字量。中央處理器通過時序信號控制采編單元的工作，在預先設置的時序內，采編單元向中央處理器輸出數(shù)據，中央處理器接收后，暫時存儲于數(shù)據緩存區(qū)，在下一個工作周期起始時，按照數(shù)據幀格式編排要求將并行數(shù)據轉換為串行數(shù)據輸出給具有調制和發(fā)射功能的設備，以無線方式進行數(shù)據傳輸。中央處理器由主機和備機組成，當主機和備機狀態(tài)自檢都正常時，默認為主機工作。

圖1 系統(tǒng)組成原理框圖Fig.1 Composition diagram of data collection system

2.2 工作原理

主從節(jié)點架構的設備連接關系如圖2所示。設備1～設備n必須通過中心節(jié)點的轉發(fā)才能完成信息交互。若該系統(tǒng)架構上連接的設備有n個(包括1個中心節(jié)點、n-1個從節(jié)點)，則需(n-1)條信息鏈路才能保證任意設備之間正常通信，主從節(jié)點架構具有結構簡單、維護方便等優(yōu)點[4]。除中心節(jié)點之外的任一節(jié)點的故障不會影響其他節(jié)點之間的正常通信，但若中心節(jié)點出現(xiàn)故障，導致整個系統(tǒng)功能失靈，陷入癱瘓[5]。為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，中心節(jié)點通常采用冗余的工作模式。

圖2 主從節(jié)點架構Fig.2 Master-slave redundant nodes architecture

在基于冗余主從節(jié)點架構的飛行器遙測參數(shù)采集系統(tǒng)中，中央處理器作為中心節(jié)點，各采編單元必須通過中央處理器的轉發(fā)才能完成信息交互功能，某采編單元因為工作異常出現(xiàn)故障，僅影響該臺設備的數(shù)據通信，其它正常工作的采編單元仍能通信，可對異常設備實現(xiàn)故障隔離。在飛行器設計和研制階段，對遙測參數(shù)的測量需求會發(fā)生變化，由于傳感器和采編單元可作為獨立設備增加或者取消，只需對配套設備數(shù)量進行重新配置，無需對系統(tǒng)架構和設備功能組成進行重新設計，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和方便性。為了提高該系統(tǒng)的可靠性，中央處理器設計了主機、備機熱備份的工作模式，默認狀態(tài)下主機的優(yōu)先權大于備機，當主機工作異常，經過雙機轉換和切權電路判決，快速將控制權由主機切換至備機，實現(xiàn)系統(tǒng)在一度故障模式下仍能正常工作。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 供電與信號采集模塊

供電與信號采集模塊為采編單元內部模塊，完成自身設備供電、對傳感器供電與信號采集功能。供電與信號采集模塊包括兩個電源芯片，一個用于采編單元設備自身的供電，一個用于給外部傳感器供電。兩個電源芯片獨立工作、互不影響，即便外部某一傳感器出現(xiàn)致命性短路故障，只是影響傳感器供電部分，采編單元仍能正常工作。供電與信號采集模塊與傳感器的連接示意圖如圖3所示，供電與信號采集模塊與單個傳感器通過同一束電纜分支同時實現(xiàn)了供電和采集功能，無需對傳感器再額外配備供電設備，減少電纜網導線交叉，簡化了配套設備的種類。

圖3 供電與信號采集模塊連接示意圖Fig.3 Link diagram between power and signal acquisition module and sensors

用于外部傳感器供電的電源芯片采用成熟的DC/DC直流電源變換器，在(14～40)V范圍的輸入電壓下可正常工作，具備輸出+5V、±15V三種電壓的能力，可滿足絕大多數(shù)場合的使用。為了抑制傳導干擾，提高設備的電磁兼容能力，在供電電源和電源芯片之間插入濾波器。電源模塊原理框圖如圖4所示，經過DC/DC直流電源變換器后，+28V輸入電壓轉換為+5V、±15V的輸出電壓，提供外部各傳感器使用。

圖4 電源模塊原理圖Fig.4 Principle of power module

3.2 隔離采集模塊

隔離采集模塊為采編單元內部模塊，其組成包括多級放大器、光電耦合器、多路切換開關、A/D變換器，如圖5所示。需要采集的信號依次經過第一級放大器進行阻抗匹配、第二級放大器進行電壓信號放大、光電耦合器進行隔離、第三級放大器進行阻抗匹配，在進行完信號預處理之后[6]，確保信號進入多路切換開關、A/D變換器時為低阻抗狀態(tài)，避免在高碼率傳輸狀態(tài)時遙測參數(shù)的快速切換而導致的路際干擾，提高電路的采集精度。

圖5 隔離采集組成框圖Fig.5 Composition diagram of isolated acquisition

圖6給出了隔離采集電路的具體實現(xiàn)方式，通過四級集成運算放大器組合、光電耦合器實現(xiàn)信號的阻抗匹配和隔離采集。第一級放大電路由第一放大器231與電阻R1、R2共同組成，第二級放大電路由第二放大器232與電阻R3～R5、電容C2組成，第三級放大電路由第三放大器234與電阻R6、電容C3組成，第四級放大電路由第四放大器236與電阻R7組成。為了進行信號的阻抗匹配，第一級放大電路的電阻R1，第四級放大電路的電阻R7使用0Ω短路線替代，運算放大器可實現(xiàn)電壓跟隨器功能。電壓跟隨器具有輸入電阻高、輸出電阻低、輸出與輸入同相位的特性[7]，從而達到提高遙測參數(shù)采集精度的目的。

圖6 隔離采集電路圖Fig.6 Isolated acquisition circuit scheme

在某飛行器隔離采集的電路設計中，隔離采集信號的輸入范圍為(0～5)V，第一級、第四級放大器均作為電壓跟隨器使用，其電壓放大倍數(shù)為1。第二級放大器與光電耦合器輸入部分的光電二極管組成外部反饋電路，對通過發(fā)光二極管的信號起到調節(jié)作用，使發(fā)光二極管的光信號更加穩(wěn)定。當光電耦合器輸出部分的光電二極管接收到光信號后，第三級放大器對接收到的信號進行放大和調節(jié)。第一級、第二級、第三級、第四級放大器均使用ADI公司的AD8675ARZ。多級運算放大器組合在一起，實現(xiàn)信號的阻抗匹配和逐級放大。

3.3 非隔離采集模塊

圖7給出了非隔離采集電路的具體實現(xiàn)方式，由多路切換開關[8]、放大器、A/D集成電路構成。多個無隔離采集要求的信號連接多路切換開關的信號輸入端，多路切換開關按照控制信號輸出指定波道的信號到運算放大器的正向信號輸入端，運算放大器信號輸出端與A/D集成電路的信號輸入端相連，輸出端信號同時通過電阻R31反饋到負向信號輸入端，A/D集成電路的信號輸入端通過電容C31接地實現(xiàn)濾除雜波，A/D集成電路的信號輸出端為8bit的并行數(shù)據，之后通過GM8164芯片完成并行數(shù)據到串行數(shù)據轉換，按照中央處理器的時序控制，在預定的時間內以串行方式實現(xiàn)與中央處理器的通信。

圖7 非隔離采集電路圖Fig.7 Non-isolated acquisition circuit scheme

非隔離采集電路的多路切換開關選用Analog Devices公司的成熟芯片，具體型號為ADG406，最大開關反應時間不超過150ns，可以支持8Mbps碼率情況下對遙測參數(shù)的高頻率波道切換[9]。A/D集成電路采用Analog Devices公司的8bit高性能芯片AD7821，其最大數(shù)據轉換時間為700ns。輸入模擬量經過采樣和編碼，完成模擬量到數(shù)字量的轉換，最后通過數(shù)據總線完成數(shù)據讀取。

4 系統(tǒng)軟件設計

圖8給出了數(shù)據采集傳輸系統(tǒng)工作流程圖。中央處理器的主機和備機在上電后首先進行各自自身狀態(tài)的檢查，如果雙機中的之一自檢結果未通過，則置出錯標志并再次進行自檢，在三次內自檢通過，則進入工作狀態(tài)，若三次自檢都未通過，則將該機從系統(tǒng)中隔離，直接使用自檢通過的中央處理器；如果主機和備機均未通過自檢，則默認使用主機工作，保證在最低限度下有一個當班機工作；如果雙機均自檢通過，主機和備機通過不同的數(shù)據傳輸通道，各自將自身的狀態(tài)信息送雙機轉換和切權電路進行判斷，從雙機中決策出當權的中央處理器，在默認狀態(tài)下主機的優(yōu)先權大于備機，在本工作周期內，當權的中央處理器向系統(tǒng)內所有采編單元輸出自身的數(shù)據同步信號和時鐘信號，采編單元在數(shù)據同步信號和時鐘信號作用下，各個采編單元在中央處理器分配的時間周期內輸出采集與編碼后的數(shù)據。當權的中央處理器接收所有采編單元的數(shù)據，按照預設的幀格式進行編排和組幀。在發(fā)送本幀數(shù)據之前，再次對自身工作狀態(tài)進行判斷，如果狀態(tài)檢查異常，說明當權中央處理器工作異常，丟棄本幀無效數(shù)據，同時跳轉至中央處理器的雙機自檢流程進行判斷，以便確定下一周期的當班機。如果狀態(tài)檢查正常，當班中央處理器送出本周期內組幀數(shù)據，之后轉入下一周期的時序控制和數(shù)據匯總，無需再次進行中央處理器的自檢流程。

圖8 數(shù)據采集傳輸系統(tǒng)工作流程圖Fig.8 Flow diagram of data collection system in Single Circle

雙機轉換和切權電路采用“看門狗”機制的設計思路，其內部采用定時監(jiān)控器配合相應的控制邏輯電路實現(xiàn)。雙機轉換和切權電路內有表征主機、備機各自工作狀態(tài)的觸發(fā)器，兩個觸發(fā)器相互獨立。雙機轉換和切權電路的定時信號會置位觸發(fā)器，而在主機、備機正常工作時，會定時發(fā)出復位信號將置位信號清零，故障單機不能正常發(fā)出復位信號，超出預置的時間后，對應的觸發(fā)器不能被復位，會產生切換信號，對當權的中央處理器進行權限更換。如果主機、備機均工作正常，觸發(fā)器不產生切權信號，默認主機輸出作為采集系統(tǒng)輸出，如果在某個工作時段內，主機、備機都處于異常狀態(tài)(即兩機都不能輸出正常置位信號)，則總是由主機輸出，這樣保證了在最壞情況下有一個當班機，從而避免了在主機、備機之間的頻繁切換。

5 測試驗證

依據奈奎斯特采樣定理，為了不失真的恢復某模擬量信號，防止頻譜出現(xiàn)交叉和混疊，對于信號的最低采樣頻率應該不小于該信號最高頻率fH的2倍[10]。由于實際濾波器頻率特性不可能是理想矩形，需要考慮一定的保護頻帶，工程實現(xiàn)上一般按照信號最高頻率分量的3～4倍進行采樣。采樣頻率越高，需要傳輸?shù)臄?shù)據碼率就越高，容易導致誤碼率偏高和遙測精度惡化等問題，因此在能不失真恢復遙測信號的前提下，盡可能降低數(shù)據傳輸碼率。

在飛行器試飛階段，為了盡可能獲得遙測數(shù)據，遙測參數(shù)的形式多樣。數(shù)據采集傳輸系統(tǒng)除了需要采集溫度模擬量、力學環(huán)境參數(shù)模擬量等之外，還需要采集開關量、圖像數(shù)據、數(shù)據量、1553B數(shù)據等內容[11]。某飛行器需要傳輸?shù)倪b測參數(shù)統(tǒng)計如表1所示，可見在滿足采樣需求的前提下，各種遙測參數(shù)的采樣頻率差別較大，緩變信號的采樣率只需40Hz，而某些速變信號的采樣頻率需要高達8000Hz。

根據表1所示的遙測參數(shù)數(shù)量和采樣頻率，經計算其數(shù)據容量達到了8Mbps，同時對具有隔離采集要求的雙機冗余采集傳輸系統(tǒng)進行了故障注入測試，測試結果表明：為了避免不同系統(tǒng)之間的相互干擾，外系統(tǒng)傳輸?shù)碾妷盒盘栠M行隔離采集，信號之間、信號參考地之間的絕緣電阻均小于200MΩ，同時采集精度優(yōu)于1.5%。中央處理器采用主機、備機熱備份的工作模式，通過注入故障讓主機失效，經過雙機轉換和切權電路判決，當班機可由主機切換為備機，實現(xiàn)系統(tǒng)在一度故障情況下正常工作，避免系統(tǒng)癱瘓。波道切換前后電壓轉換波形如圖9所示，在8Mbps的高碼率傳輸情況下，多路切換開關在切換前輸出的采集通道電壓穩(wěn)定值為3V，當切換到下一個采集通道后，多路切換開關輸出的采集通道電壓穩(wěn)定值為0V，兩個采集通道的電壓高達3V，通過電壓跟隨器的阻抗變換，在采集通道切換后約0.2個采樣周期即可快速達到穩(wěn)定電壓值，避免了在高碼率傳輸狀態(tài)時波道之間的路際干擾。

表1 某飛行器遙測參數(shù)統(tǒng)計Tab.1 Telemetrystatisticsforoneaircraft序號參數(shù)名稱數(shù)量(路)采樣率(Hz)數(shù)據率(bps/路)備注數(shù)據容量(bps)1壓力1540320/48002過載32001600/48003低頻振動603202560/1536004高頻振動90800064000/57600005溫度1440320/44806圖像2500000500000/10000007電壓信號3040320有隔離要求96008外系統(tǒng)數(shù)字量5/115200/57600091553B數(shù)據1/500000/500000合計8013280

圖9 波道切換前后電壓波形Fig.9 Voltage waveform of collection channel transform

6 結束語

基于冗余中心節(jié)點架構思路，本文設計了一種高可靠的飛行器遙測參數(shù)采集系統(tǒng)，承擔信息匯總功能的中心節(jié)點采用雙機熱備份，通過對主機和備機自身狀態(tài)實時監(jiān)測，在出現(xiàn)故障時經自主判別和切換，可實現(xiàn)控制權快速切換，提高了系統(tǒng)的可靠性和重構性。測試結果表明，該系統(tǒng)能有效地滿足航天飛行器數(shù)據隔離采集、故障隔離與系統(tǒng)重構的要求，在一度故障情況下避免系統(tǒng)癱瘓，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，在高碼率傳輸情況下減少采集通道快速切換前后的路際干擾，提高了電路的采集精度，具有較好的工程參考意義。