基于WSN 的運載火箭電磁閥極性測試系統設計與實現

白 冰，張宏德，趙心欣，司群英

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引言

運載火箭在出廠前需要開展大量的測試工作，特別是在火箭總裝測試階段需要對發動機電磁閥的極性進行測試，以確保電磁閥極性的正確性。

以往運載火箭在總裝出廠測試階段，只能通過工作人員人工判斷動作狀態，由于火箭動力系統有近百個電磁閥，因此傳統方式耗費大量人力和時間，工作效率較低，并且無法進行量化測試評估。

本文設計了一套基于無線傳感網絡技術（Wireless Sensor Networks，WSN）的運載火箭動力系統電磁閥極性測試系統。該系統以智能自主、小型便攜，產品化為設計原則，以高精度、快速測試、自動化判讀為目標，可有效提高運載火箭出廠測試階段的測試效率和智能化水平，提高了測試覆蓋性和量化測試程度。

1 運載火箭電磁閥極性測試系統

基于WSN的運載火箭電磁閥極性測試系統應用于運載火箭總裝測試階段，主要用于完成運載火箭動力系統箭上電磁閥的極性測試，并將測試結果與飛行時序進行自動對比判讀，給出電磁閥極性正確性的判讀結果。

系統實現的具體功能如下：

a）采用干簧管、磁阻傳感器等實現運載火箭動力系統電磁閥（含電氣閥和電液閥）開關動作的非接觸測量；

b）采用WSN實現多個測試終端節點之間的數據通信，采用AES-128加密算法對通信內容進行加密保護；

c）采用北斗衛星導航系統/GPS實現高精度授時，準確記錄全箭近百個電磁閥動作時序；

d）通過軟件實現系統在線配置，使用靈活，適用性廣；

e）采用自動數據解析處理與智能比對技術，實現對測試數據進行自動判讀及準確定位。

2 基于WSN的運載火箭電磁閥極性測試系統組成

基于WSN的運載火箭電磁閥極性測試系統由傳感器節點、終端節點、電纜網和監測判讀便攜計算機組成，具體如圖1所示。

圖1 電磁閥極性測試系統組成Fig.1 Schematic Diagram of Solenoid Valve Polarity Test System

a）傳感器節點：采用非接觸式磁感應傳感器采集電磁閥開關動作；

b）無線采集節點：用于傳感器信號采集、測試數據無線通信、測試數據匯總。包括1個主節點，6個終端節點。終端節點按照實際的情況進行測量區域劃分，負責各個傳感器的信息采集，并通過無線信道發送給主節點；各終端節點的軟件、硬件設計保持一致，通過開機檢測開關實現角色設定。主節點放置于被測對象遠端，接收其余終端節點發送的傳感器數據，并通過以太網接口將數據發送到計算機。

c）監測判讀計算機：放置于被測對象遠端，接收主節點通過以太網發送的傳感器數據，對測試數據進行解析和判讀，形成測試報告。

2.1 傳感器節點設計

運載火箭動力系統電磁閥分為電氣閥和電液閥。根據兩種不同電磁閥的特點，系統選用了不同的傳感器。其中，電氣閥動作采集傳感器選用開關量信號輸出的干簧管傳感器進行動作采集。干簧管通常由兩個軟磁性的金屬簧片組成。簧片觸點被封裝在充有高純度的惰性氣體（如氮、氦等）或真空的玻璃管里，在周圍無磁場時，兩片簧片并未接觸；當周圍產生磁場時，磁場使兩片簧片端點位置附近產生不同的極性，兩片不同極性的簧片將互相吸引并閉合。干簧管比一般機械開關結構簡單、體積小、速度快、工作壽命長。與電子開關相比，具有抗負載沖擊能力強等特點，工作可靠性高。

電液閥動作時磁場強度較小，因此不能同電氣閥傳感器選型保持一致。考慮電液閥的磁場強度，應優先選擇對磁場感應靈敏高的模擬量輸出電磁傳感器。經過現場對霍爾傳感器、加速度傳感器、振動傳感器、三軸磁阻傳感器性能進行對比測試。經測試，選用的單軸電磁場傳感器，該傳感器具有靈敏度高、抗干擾性能好的特點。

2.2 無線采集節點設計

無線采集節點按照功能劃分，分為采集節點和主節點。采集節點通過電纜接收傳感器節點測量的電磁閥開關狀態，并將采集結果發送給主節點。主節點將接收到的結果匯總后通過以太網發送給監測判讀計算機，供數據判讀使用，具體見圖2。

圖2 無線采集架構示意Fig.2 Schematic Diagram of Wireless Architecture Design

無線采集節點主要由主控單元、供電單元、無線通信模塊、有線通信模塊、時間同步模塊組成，具體見圖3。

圖3 無線采集節點設計Fig.3 The Design of Wireless Nodes

2.3 系統軟件設計

電磁閥極性測試系統軟件包括嵌入式監測軟件和監測控制與解析判讀軟件，其中嵌入式監測軟件安裝在終端節點的FPGA中，完成設備狀態管理，電磁閥動作和時間信息的采集整理、存儲轉發功能；監測控制與解析判讀軟件安裝在監測判讀便攜計算機中，完成系統狀態數據的顯示、測試流程的管控，以及測試數據的解析判讀等功能，具體軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程Fig.4 Software Flow Chart

嵌入式監測軟件運行于終端節點中的主控FPGA中，主要負責建立Zigbee通信網絡，并將采集到電磁閥傳感器數據通過Zigbee無線網絡發送到主節點；當接收到Zigbee無線網絡數據后，將數據發送給監測判讀計算機。

嵌入式監測軟件使用QuartusII集成開發環境進行開發，由Verilog及C語言共同實現系統功能，軟件包含串口通信、授時模塊驅動、無線模塊驅動、有線模塊驅動、傳感數據接收處理、狀態指示、命令解析數據打包、主邏輯控制等部分。軟件功能模塊框圖如圖5所示。

嵌入式監測軟件主要功能包括：

a）通過A/D采集電液閥傳感器數據，根據設定閾值確定電液閥的動作狀態；

b）通過開關量檢測電氣閥的傳感器數據，判斷電氣閥動作狀態；

c）通過RS232串行接口，接收BD/GPS時間戳信息；

d）通過RS232串行接口與Zigbee模塊通信，發送、接收無線數據；

e）通過SPI接口與網絡模塊通信，向以太網收發數據；

f）檢測硬件開關狀態，確定節點本身角色。

圖5 嵌入式監測軟件模塊設計Fig.5 The Design of Monitoring Software

時序解析與自動判讀軟件運行于監測計算機中，用來查看、處理傳感器數據，生成時序測試報告，軟件使用Visual Studio2010集成開發環境。軟件由以太網通信模塊、數據處理、數據顯示3部分組成。軟件內部信息流示意如圖6所示。

圖6 時序解析與自動判讀軟件模塊組成Fig.6 The Design of Sequence Analysis Software

a）接口通信模塊：負責接收終端節點的數據；

b）數據處理模塊：可通過配置文件，靈活設置每個傳感器對應的電磁閥名稱。根據第1個電磁閥動作信號作時間為時序基準，以起飛信號作為時序零點。將實際測試時序與標準時序文件對比，進行判讀并生成測試報告；

c）數據顯示模塊：根據接收到的數據，將電磁閥動作時序等信息顯示在界面上。數據顯示模塊具有設置功能，可根據傳感器編號進行重新命名。

3 試驗驗證

運載火箭動力系統電磁閥極性測試系統完成硬件和軟件的開發調試后，在火箭總裝階段對動力系統電磁閥極性開展了實時測試，如圖7～10所示。

圖7 電磁閥極性測試結果Fig.7 The Results of Solenoid Valve Polarity Test

圖8 電磁閥極性測試時序Fig.8 The Sequence of Solenoid Valve Polarity Test

a）動力系統電磁閥極性測試。

圖7、圖8分別顯示的是動力系統電磁閥極性測試結果和時序測試結果。根據火箭飛行時序及實際測試結果，可自動完成電磁閥極性測試結果分析及判讀報告。

b）電磁閥磁場強度測試曲線。

圖9、圖10分別為動力系統電氣閥和電液閥的磁場強度測試曲線。由圖9、圖10可知，系統選擇的傳感器滿足動力系統電磁閥的測試要求，能夠準確采集電磁閥的動作狀態。

圖9 電氣閥磁場強度測試曲線Fig.9 Electromagnetic Intensity Curve of Solenoid Valve

圖10 電液閥磁場強度測試曲線Fig.10 Electromagnetic Intensity Curve of Solenoid Valve

4 結束語

本文設計實現了一套運載火箭動力系統電磁閥極性測試系統，將無線傳感網絡技術、微弱磁場檢測技術、快速監視判讀技術有機結合起來，減化了測試設備規模、提高了設備靈活性及測試效率，增加了火箭動力系統的測試手段，具有很強的工程實用性及推廣價值。