固態記錄器在遙測數據回收中的應用研究

摘 要： 飛行試驗遙測數據是對飛行器評估的重要依據。對比分析了傳統無線電遙測和回收遙測的兩種遙測數據回收方式，詳述了固態記錄器在遙測數據回收中的優越性和重要性；結合工程實際經驗，對高過載下的記錄器從防護結構設計、灌封技術兩方面進行了分析；對不同的應用條件下的數據傳輸接口進行了分析，給出了不同接口的控制方式；結合新型飛行器的發展要求，通過分析遙測設備的復雜性，從容量、速率、體積、可靠性等方面展望了遙測數據用固態記錄器的發展趨勢。

關鍵詞： 固態記錄器； 遙測數據； 高過載； LVDS接口； 以太網接口

中圖分類號： TN98?34； TP702 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0111?04

0 引 言

在飛行器研制過程中，飛行試驗是必不可少的一個環節。各種型號運載火箭、研制階段的導彈武器在進行各種綜合和匹配試驗時，遙測測試數據是各系統進行試驗結果分析和判讀的重要依據，而且在某些特定的試驗或特殊階段的測試中，這些數據對試驗或發射起到決定性作用[1]。

傳統采用天線無線電波對遙測數據進行記錄，具有一定的局限性。例如，在某些區域無線遙測存在“黑障區”，在這些區域無線遙測數據根本無法發送和接收；無線遙測保密性較差，在飛行器飛行試驗時由于其飛行距離較遠，無線遙測信號覆蓋區域較廣，可以被地面無線電接收，失去保密性；受信道容量的限制，無線遙測無法傳輸眾多的“速變”參量，導致在試驗中某些重要的參數無法可靠性獲取，如對于振動、沖擊、動態壓力等參量和動輒幾百路的物理參量和工作狀態數據來說，無線遙測的信道容量就無法滿足要求；在一些惡劣環境中如侵徹混凝土中無線遙測無法派上用場。還有，在某些場合雖然不存在技術上的困難，卻會因為受到研制成本、開發周期等具體限制而無法使用無線遙測[2?3]。

大容量固態記錄器可以彌補以上缺憾，它不受信號盲區等限制，在飛航式武器試飛試驗中， 將各種測得的試驗參數實時記錄在記錄器中，待回收數據記錄器后便可將數據讀出。這種回收遙測的方式可靠性高，在飛行器試驗中起著越來越重要的作用。因此，固態記錄器成為飛行器遙測系統的重要組成部分[4?5]。

同時，采用固態記錄器進行數據的回收還有以下優點：閃存介質等存儲介質的特性與飛行器中其他電路類似，外圍電路連接簡單，操作方便；使用固態記錄器有利于簡化系統的設計、制造、集成和測試；半導體存儲器工藝不斷進步、技術水平越來越高，采用固態記錄器可實現低成本、快速生產。

隨著航天設備的不斷發展，對遙測數據用固態記錄器也提出了新的挑戰：體積、重量和功耗受到嚴格限制；具有極強的生存能力，能夠在極端惡劣的力學環境下如觸地瞬間高達上萬g的沖擊加速度和由巨大動能產生的高溫、高壓氣流，保證記錄結果完好無損[6]。下面就結合工程實際經驗，主要從高過載的防護技術和數據接口技術兩方面進行分析。

1 固態記錄器應用的關鍵技術

1.1 高過載防護技術

用于飛行器遙測數據回收的固態記錄器的應用環境都比較惡劣，如高沖擊過載、高溫、高壓、浸水等，其中設計難度最大的是高沖擊過載和高溫的防護。

高過載防護技術在器件選擇上，應選用抗沖擊能力較強的元器件，例如：元器件塑料封裝比陶瓷封裝的抗高過載能力強；微型片狀封裝比直插封裝抗高過載能力強；機械結構材料選用強度和韌度大的，并經工藝處理達到相應要求，一般情況下，固態記錄器設計中對殼體材料采用35CrMnSiA，對所有鋼結構都進行淬火處理并且硬度達到50 HRC可滿足應用要求。最主要的也是最關鍵的設計就是多層防護的高過載機械機構的設計和對核心保護的存儲器的灌封工藝處理。

記錄器在落地硬回收過程中，自身要承受住兩方面的作用力，一方面是與地面巨大的撞擊力，主要靠高過載防護機械結構所吸收；另一方面是自身高速狀態下的慣性作用力，主要靠緩沖材料、電路腔內的灌封材料所吸收。

高過載防護機械結構設計一般為圓柱形多層套筒式結構，如圖1所示，由里到外分別為存儲器內殼體、存儲器中殼體和存儲器外殼體，內殼體和中殼體之間使用隔熱緩沖材料填充，中殼蓋上開有通孔用于分布高溫導線，中殼體被安裝到用隔熱防燒蝕的特種材料制作的套筒中，中殼體和套筒之間同樣包裹隔熱緩沖材料。隔熱套筒被直接安裝到外殼體的內腔中，在外殼體的內腔中開有走線槽用于分布內部電路的高溫導線和安裝電連接器。記錄器落地時，外殼體承受了侵徹過程中的90%的過載沖擊，記錄器主要是靠它來保護的。中殼體蓋與外殼體用螺紋連接，可以有效地分散所受應力，并阻止硬回收過程中熱氣等侵入到存儲電路中，確保存儲器電路在一個較獨立的且能承受較大過載的空間內。此外，中殼體蓋中心處設計有出線孔，保證存儲電路和接口電路的數據傳輸。內殼體及緩沖材料可有效地吸收和緩減落地過程中來自主體側面的沖擊應力，最大程度地保護內部電路板完好無損。

對核心保護的電路板進行灌封和封裝工藝處理，需要在特定的溫度范圍之內，在對灌封材料完成配比且流動性較好的時候，對組裝好的存儲電路模塊進行灌封，使存儲電路模塊內部無空隙和氣泡地固化成模塊。存儲電路進行一體化封裝后，抗沖擊過載能力將得到很大的提高。

圓柱形多層套筒式結構

常用的灌封材料有硅橡膠、環氧樹脂和聚氨酯等其他的橡膠樹脂類化合物。這些材料均為高分子聚合物，具有典型的粘彈性，從它受力后的微觀表現可以分析其吸能特性。當受到外力時，一方面分子鏈可以變形，另一方面分子鏈與分子鏈之間會產生滑移。當外力除去后，變形的分子鏈要恢復原位，釋放外力所做的功，表現為材料的彈性性質；而分子鏈之間的滑移不能完全復原，產生永久性變形，所做功變為熱量，耗散于周圍環境，表現為材料的粘性性質，所以這些材料吸能是儲能和耗能效應的綜合。另外這些材料密度低、多孔泡，孔泡在受沖擊過程中會產生一定的阻尼，吸收一定的沖擊能量，而且變形越大，變形速度越快，阻尼就越大，吸收能量越多。硅橡膠這種封裝材料高過載下會發生變形，導致防護失效，不適和應用到高過載環境，環氧樹脂、甲乙組分聚氨酯都是抗高過載常用的灌封材料[7]。

在對電路板灌封過程中，還要注意以下幾點：清理電路板及其灌封腔，確保無雜物、異物；嚴格按照灌封材料的操作溫度、比例進行配比，用力均勻；掌握好配比時間，在灌封材料流動性最佳時進行灌封，確保電路板完全被灌封材料灌封。

1.2 數據接口技術

固態記錄器與外部設備進行數據傳輸的常用接口有并行接口、LVDS高速接口和百兆以太網高速長距離接口等其他形式的接口，每種接口技術都有優點和不足，在不同的應用條件下可選擇使用。

1.2.1 并行接口技術

并行接口電路連接簡單，操作方便，易于控制，在低速短距離的傳輸中，常采用該接口形式。記錄器與外部設備的數據通信主要包括命令信號、狀態信號、數據信號，這些信號都是通過高低電平來判斷。外部設備和記錄器的接口上均采用光耦進行電氣隔離，這樣在外部電路發生短路時不影響飛行器上電路工作，同時也可增強抗干擾的能力，這些信號的傳輸都是在兩接口的光耦之間形成電流環而實現的。地面測試臺給記錄器下發命令的光耦連接形式如圖2所示。

記錄器與地面測試臺接口電路

1.2.2 LVDS接口技術

由于使用并行長線存在串擾、同步等問題，并行長線傳輸速度和通信距離都受到很大限制。對遙測數據多通道高采樣率下的達每秒幾十兆字節的高速數據傳輸，常采用LVDS（低壓差分信號）等高速串行接口技術。采用LVDS技術傳輸有以下優點：噪聲極低；功率低；強的共模干擾抑制。

LVDS信號傳輸一般由三部分組成：差分信號驅動器，差分信號互聯器，差分信號接收器。其傳輸組成圖

LVDS傳輸組成圖

差分信號驅動器：將非平衡傳輸的TTL信號轉換成平衡傳輸的LVDS信號。

差分信號互聯器：是承受LVDS信號的傳輸介質，包括聯接線（電纜或者PCB走線），終端匹配電阻。按照IEEE規定，電阻為100 Ω。通常選擇為100 Ω或120 Ω。

差分信號接收器：將平衡傳輸的LVDS信號轉換成非平衡傳輸的TTL信號。通常，在一個IC內同時具有差分驅動和接收功能。

1.2.3 以太網接口技術

LVDS的應用有一定的局限性：兼容性差，不同的設備之間使用的接口芯片需要相互匹配才可以正常工作；LVDS 收發數據需要在底層進行時序控制以及抗干擾的編解碼，不適合應用到無FPGA 的電路系統。而百兆以太網接口克服了上述問題，針對大多數的控制單元芯片都集成了以太網MAC 控制器，只需要外擴PHY 芯片和以太網變壓器就可以實現以太網高速通信；以太網通信具有傳輸距離長、速度高的優點，不會因為使用不同的接口芯片而出現通信接口不兼容的問題，可以在飛行器遙測數據記錄系統中實現遠程高速數據傳輸。目前，較為流行且操作簡單、技術較為成熟的芯片有Wiznet公司的網絡接口芯片W5300，由于其內部具有硬件協議棧，應用此芯片能夠大大地減小硬件接口設計和網絡編程的工作量，并且可以實現穩定可靠的遠程數據通信，可應用于航天測控遠程信息傳輸等領域。

為以太網接口芯片W5300的電路連接圖，采用16位數據總線連接方式，圖中通過引腳配置W5300使用內部PHY，內部PHY工作在全功能自動握手模式下。W5300可以通過寄存器的設置根據協議（TCP，UDP，IPRAW和MACRAW）實現網絡通信，進而使以太網的連接變得非常簡單。W5300的參數配置分為兩部分：W5300初始化（設置通用寄存器）、SOCKET初始化（設置SOCKET寄存器）。

W5300與MCU 16位數據總線的連接圖

2 遙測數據用固態記錄器的發展趨勢

隨著航天器的功能和性能越來越高，系統組成越來越復雜，被測參數量更大、種類更多，測量實時性更強。新型飛行器、航天設備試驗遙測參數的增加，對碼速率和存儲容量的要求越來越高，對記錄技術及存儲設備提出了性能、精度和微型化等各種苛刻的要求，而且在某些場合要求存儲設備的體積小、重量輕、功耗低，回收環境更加苛刻，這給遙測數據固態記錄器的發展提出了更高的挑戰，使固態記錄器向著大容量存儲、高接口傳輸速率、高抗干擾能量和高過載能力等方面發展。具體體現如下[8?11]：

（1）大容量存儲。固態記錄器在對遙測信號采集的種類越來越多，通道數也越來越多，采樣率不斷提高，對存儲容量的要求由此提高。而存儲芯片的的存儲密度隨著微機械加工工藝的快速發展而不斷提高，FLASH Memoy的容量變大，這使得大容量固態記錄器在遙測數據回收中具有必然性和可行性。

（2）高數據傳輸速率。由于新型導彈、航天設備試驗遙測參數的增加，對碼速率和存儲容量的要求越來越高[2]，將對總的數據傳輸速率提高了要求，采用高速串行總線技術，可以實現長距離、高速數據傳輸。

（3）頑強的環境適應能力。頑強的環境適應能力一直是遙測數據記錄器生存的保障，在極其惡劣的環境下如瞬態高溫上千攝氏度、高沖擊過載達幾萬甚至十幾萬個g，深海高壓長時間浸泡等，都要保證其可靠性，完成繁重的記錄任務。

（4）高集成度。航天領域，運載火箭重量每增加1 kg，發射成本將增加100萬，而且降低了發射的成功率，這就要求用于航天設備的采集裝置具有微小型化，低功耗、高可靠性、可擴展性等特性[6?7]。

（5）新器件的應用。微電子學的發展和存儲芯片集成度的提高，采用新工藝、新原理、新方法的集成芯片將不斷出現，使得芯片抗干擾能力強，可靠性高，具有高效率、低功耗、小體積的特點，這為記錄器的集成度的提高鋪平了道路，可使記錄器在可靠性、抗過載能力、大容量體積比上有所提升。

3 結 語

本文對遙測數據回收的兩種方式（無線電遙測和回收遙測）進行了對比分析，闡述了固態記錄器在遙測系統中的重要性；在工作實踐中，總結了固態記錄器的關鍵技術，主要對記錄器的高過載防護技術、不同條件下的接口技術進行了分析；結合新型武器裝備發展的需要，展望了遙測數據記錄器的發展趨勢，大容量、高速率、高可靠性、強環境適應能力的固態記錄器將是遙測系統發展的必然要求。

參考文獻

[1] 張晨光，呂明，王剛.運載火箭遙測數據處理研究[J].導彈與航天運載技術，2005（2）：9?11.

[2] 周秀娟.高速大容量數據存儲系統的研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[3] KAUFMAN Bruce. A nonvolatile solid?state recorder for 100000g environments [J]. Sensors Magazine， 2000， 17（6）： 46?51.

[4] 劉文怡，張彥軍，李海宏，等.全覆蓋型彈載數據記錄器的研究與實現[J].電測與儀表，2008，45（1）：43?45.

[5] 閆曉燕，武錦輝.遙測PCM碼流解碼系統的設計[J].現代電子技術，2008，31（15）：135?136.

[6] 羅艷強，姚長虹，張偉.遙測技術在火箭發動機過載試驗中的應用[J].現代電子技術，2008，31（23）：68?70.

[7] 林沂杰.基于光纖傳輸的彈載電子數據記錄器系統的設計與研究[D].太原：中北大學，2008.

[8] 詹辛農，胡其正，詹昂.航天數據固態記錄器設計問題（上）[J].遙測遙控，1999，20（1）：19?27.

[9] 丁海飛.基于雙平面技術的固態存儲器的設計與實現[D].太原：中北大學，2012.

[10] 鄭永秋.某飛行器遙測數據記錄器的優化設計[D].太原：中北大學，2012.

[11] 姚長虹.小型彈載遙測單元設計與實現[J].現代電子技術， 2010，33（1）：24?26.