一種耐高沖擊遙測裝置設(shè)計

霍利鋒，那凱鵬，劉國忠

(山西科泰航天防務(wù)技術(shù)股份有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

飛行器在飛行試驗過程中需要采用遙測方式獲取內(nèi)部各分系統(tǒng)的工作狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，為其性能評估或故障定位提供依據(jù)[1]。由于常規(guī)遙測裝置體積和質(zhì)量較大，難以適應(yīng)高過載試驗環(huán)境需求[2]。隨著電子技術(shù)、FPGA器件和數(shù)字變頻技術(shù)為代表的軟件無線電技術(shù)的迅速發(fā)展，使得基于軟件無線電技術(shù)的遙測裝置具有集成度高、可在線重構(gòu)、開發(fā)周期短的優(yōu)點[3,4]，為遙測裝置的小型化和抗高過載提供了技術(shù)保障。

針對在高過載環(huán)境下的遙測需求，本文設(shè)計了一種基于軟件無線電技術(shù)的遙測裝置，可采集多路模擬信號和數(shù)字總線數(shù)據(jù)，具有一體化、體積小、重量輕、耐高沖擊的特點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

遙測裝置測量需求如下：

1) 采集4路28 V電源信號、接收2路RS422數(shù)字信號；

2) 無線電頻段為S頻段，采用PCM-FM遙測傳輸體制；

3) 射頻發(fā)射功率≥30 dBm；

4) 供電范圍16 V～32 V。

為了減小遙測裝置體積，遙測采編器和發(fā)射機(jī)一體化設(shè)計,由FPGA控制相關(guān)接口電路完成模擬數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號接收、遙測編碼、基帶信號調(diào)制。遙測裝置內(nèi)部對模擬和數(shù)字信號進(jìn)行隔離設(shè)計，避免外部復(fù)雜環(huán)境造成干擾。遙測裝置內(nèi)部進(jìn)行抗高沖擊設(shè)計以滿足高過載試驗環(huán)境要求。

1.2 系統(tǒng)原理

根據(jù)測量需求，設(shè)計的遙測裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 遙測裝置組成框圖

采用FPGA作為主控制芯片，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬通道選擇和模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時接收RS422數(shù)字信號，實現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字量進(jìn)行混合編碼形成遙測幀，然后轉(zhuǎn)化為串行PCM碼流，并進(jìn)行信號調(diào)制，通過數(shù)字上變頻器上變頻到S頻段，通過功率放大和濾波，最后通過分路器分別輸出到兩路遙測天線。

2 設(shè)計方案

2.1 主要元器件選型

FPGA選用Xilinx的XC6VLX240T，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集編碼、數(shù)據(jù)傳輸、基帶信號調(diào)制等。FPGA內(nèi)部集成大容量可編程邏輯和RAM存儲器，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜時序邏輯功能。FPGA控制ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并完成基帶數(shù)據(jù)生成和DDS合成，并將PCM信號輸出至數(shù)字上變頻器。

數(shù)字上變頻器選用AD公司生產(chǎn)的AD9364，該芯片是一款高性能、高集成度的射頻捷變收發(fā)器，內(nèi)部集成了無線收發(fā)系統(tǒng)的大部分功能元件，包括ADC/DAC，LNA，鎖相環(huán)，濾波器等，通道帶寬范圍為200 kHz～56 MHz，滿足工作頻率在70 MHz～6 GHz內(nèi)的無線收發(fā)需求[5]。同時為基帶信號處理器提供了可配置數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接口，該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)從基帶信號直接上變頻到射頻信號，不需要外部混頻器、濾波器的支持，從而簡化設(shè)計，大幅度減小遙測裝置的體積、功耗、重量[6]。FPGA通過SPI接口對AD9364進(jìn)行參數(shù)配置，通過12 bit并行數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

ADC選用AD公司生產(chǎn)的4通道、16位、SAR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7682。該芯片采用5 V供電，內(nèi)置低溫漂2.5 V和4.096 V電壓基準(zhǔn)源，F(xiàn)PGA通過SPI接口讀寫配置寄存器和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。

2.2 模擬信號調(diào)理

由于模擬輸入通道存在干擾和噪聲，會造成測量信號不準(zhǔn)確的問題，通過信號隔離可以消除由于信號源接地網(wǎng)絡(luò)的干擾所引起的測量噪聲。

本設(shè)計中電壓信號采用雙光耦和雙運算放大器對所采集的電源信號進(jìn)行隔離和調(diào)理，將28V電源電壓信號轉(zhuǎn)化為2.5V范圍內(nèi)的電壓信號供ADC進(jìn)行采集。2個光耦一個用于隔離輸出，一個用于反饋，補(bǔ)償發(fā)光二極管時間、溫度特性的非線性，調(diào)理電路原理如圖2所示。

圖2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路中，當(dāng)R1=R4、R2=R3時，電路的增益只與電阻R1，R5的阻值有關(guān)，與光耦的電流傳輸比等特性無關(guān)，電路增益：

Vo=Vin*R5/R1

(1)

由于電路中光耦的輸出電流對于輸入電流存在著傳輸滯后，采用電容C2進(jìn)行補(bǔ)償，消除在某些頻段上可能產(chǎn)生的自激振蕩，電容的容值根據(jù)電路的頻率特性確定。

該電路直接從信號輸出端取少量電流，從而實現(xiàn)了對電壓信號的線性隔離，可以節(jié)省隔離電源，減小電路體積。由于光耦U1A存在約1 V的導(dǎo)通電壓，故本電路無法測量1 V以下的電壓信號，設(shè)計時需要注意。

2.3 數(shù)字信號接口

RS422串行接口經(jīng)接口隔離轉(zhuǎn)換芯片ADM2682轉(zhuǎn)換為TTL電平，再由FPGA接收和解碼。RS422串行接口采用120 Ω終端匹配電阻進(jìn)行阻抗匹配，并采用3 kΩ的上下拉電阻。當(dāng)輸入信號處于未連接或意外斷開狀態(tài)時，接收端有固定的差分輸入電平。為避免短路意外高電壓或熱插拔造成接口電路損壞，串接47 Ω電阻進(jìn)行保護(hù)，電路如圖3所示。

圖3 RS422串行總線接口示意圖

接口芯片ADM2682E自帶隔離DC-DC，具有±15 kV ESD保護(hù)，碼速率可以達(dá)到16 Mbps，可以滿足遙測數(shù)字信號接收要求。

2.4 電源模塊設(shè)計

電子設(shè)備中電源的可靠性和穩(wěn)定性直接影響其運行的可靠性及性能指標(biāo)，決定整個電子設(shè)備任務(wù)的成敗[7]。遙測裝置采用外部28 V供電，采用隔離DC-DC可實現(xiàn)16 V～40 V寬壓輸入，通過LDO低壓差線性穩(wěn)壓源轉(zhuǎn)換為采集電路和射頻電路需要的工作電源，電源電路邏輯示意圖如圖4所示。

圖4 電源電路邏輯示意圖

電源電路中TVS瞬態(tài)抑制二極管，可以對尖峰電壓有效抑制；浪涌抑制器可以對電源瞬態(tài)電壓進(jìn)行抑制，保護(hù)后端電路正常工作。EMI濾波器用于濾除供電電源中高頻雜波和干擾信號，同時避免電源模塊產(chǎn)生的電磁輻射泄漏到外面，以減少對外界的干擾。

2.5 數(shù)模混合編碼設(shè)計

所有模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字量需要按照確定的幀格式進(jìn)行混合編碼，以便通過遙測數(shù)據(jù)處理。

遙測幀采用反碼副幀格式，幀內(nèi)包括模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字量數(shù)據(jù)、同步字和標(biāo)識字等部分，幀格式如圖5所示。

圖5 遙測幀格式

混合編碼程序在FPGA程序內(nèi)部實現(xiàn)，主要由模擬信號采集模塊、數(shù)字量接收模塊、混合編碼模塊組成。內(nèi)部的模擬量和數(shù)字量緩沖由FPGA內(nèi)部的RAM構(gòu)成，邏輯示意圖如圖6所示。

圖6 FPGA程序邏輯示意圖

模擬信號采集模塊按照設(shè)定的遙測幀結(jié)構(gòu)格式控制AD7682進(jìn)行選通模擬開關(guān)，并啟動AD轉(zhuǎn)換,采集完成后將ADC值寫入緩沖，并切換模擬開關(guān)采集下一路模擬信號，采樣率由數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)確定。

數(shù)字量接收模塊的主要功能是對接收的數(shù)字量進(jìn)行實時解碼和緩存。串口接收模塊按照數(shù)字量的波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)的起始位后啟動數(shù)據(jù)采集直到檢測到停止位結(jié)束，將提取到的8位有效數(shù)據(jù)位送入數(shù)字緩沖模塊。為了確保數(shù)字量接收不丟幀，在接收模塊中采用“乒乓模式”[8]緩沖結(jié)構(gòu)。通過數(shù)據(jù)選擇開關(guān)，在第一個遙測幀周期內(nèi)將數(shù)據(jù)存儲到緩沖1，在第二個遙測幀周期內(nèi)數(shù)據(jù)流切換到緩沖2，在此期間，緩沖1可以進(jìn)行讀操作，在第三個緩沖周期時，數(shù)據(jù)流又切換到緩沖1，與此同時，緩沖2可以進(jìn)行讀操作，后續(xù)流程以此類推，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)的無縫緩沖和傳輸。

混合編碼模塊根據(jù)遙測幀周期定時讀取模擬緩沖和數(shù)字量緩沖數(shù)據(jù)，將各數(shù)據(jù)寫入遙測幀的預(yù)定位置，同時插入幀同步字和幀計數(shù)器等標(biāo)識字。由于數(shù)字量為異步傳輸，發(fā)送周期不確定，當(dāng)數(shù)字量無法填滿遙測幀波道時，需要采用空閑字填充。

3 防護(hù)設(shè)計

在高沖擊環(huán)境下，巨大的沖擊力會對遙測裝置內(nèi)部電路產(chǎn)生較大的作用力，因此需要對殼體內(nèi)部進(jìn)行了合理的緩沖設(shè)計。在遙測裝置內(nèi)部電路板空隙處進(jìn)行灌封處理，使其與外部結(jié)構(gòu)成為一個有機(jī)的整體，灌封后的遙測裝置可以有效地抵抗高過載和強(qiáng)烈振動的沖擊[9-11]。通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電裝工藝，確保產(chǎn)品可耐受高沖擊過載，確保產(chǎn)品在炮射過程中正常工作。

4 試驗結(jié)果

遙測裝置設(shè)計完成后通過遙測接收機(jī)接收遙測數(shù)據(jù)。將遙測數(shù)據(jù)中的數(shù)字量進(jìn)一步分離，數(shù)據(jù)格式與發(fā)送測試數(shù)據(jù)格式一致。對遙測數(shù)據(jù)中的模擬波道進(jìn)行回放，測量電壓值誤差小于1%，性能滿足指標(biāo)要求。數(shù)字量還原和模擬信號回放如圖7所示。

圖7 數(shù)字量還原和模擬信號顯示

5 結(jié)論

本遙測裝置采用軟件無線電技術(shù)，可滿足多路模擬量和數(shù)字量的采集需求，同時實現(xiàn)了小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計，產(chǎn)品體積小、重量輕，具有耐高沖擊的特點。本遙測裝置已經(jīng)成功應(yīng)用，在試驗過程中工作正常，成功獲取了數(shù)據(jù)，取得良好的效果。