基于IEEE1588的分布式柔性測壓帶系統設計

薛子剛 高 屹 薛 田

1(中國人民解放軍91515部隊 海南 三亞 572016) 2(海軍勤務學院海防工程系 天津 300450) 3(西北工業大學航海學院 陜西 西安 710072)

0 引 言

對于飛機翼型的性能評估，需要借助空氣壓力測量系統來獲取機翼表面的壓力分布數據，進而分析出機翼的氣動力特性。傳統的空氣壓力測量系統主要有多管壓力計、機械掃描閥和電子掃描閥等，安裝流程復雜，操作成本較高，同時氣壓傳導造成測量遲滯嚴重，壓力平衡時間過長，無法滿足動態測量的需求[1]。

MEMS技術的發展為翼面壓力分布測量提供了較好的解決方案。基于MEMS工藝的壓力傳感器具有體積小、重量輕、響應頻率高、機電耦合性好等特點，可以直接安裝在翼面任何位置[1]，同時進行靜態和動態測量。另一方面，集成電路技術(ASIC)的快速發展，半導體芯片的功能高度集成，芯片體積趨于微型化，功耗越來越低。因此，可以使用分立元件結合柔性電路板技術設計出具有柔性的薄片化測壓帶，直接貼附在翼面進行壓力測量，無須開孔，避免對待測量結構物造成破壞，易于模塊化，更加容易安裝和布設測量點，且可重復使用。

另外，對于二元模型動態氣動力的測定，必須從脈動的壓力分布通過面積加權積分來得到氣動力的時間歷程，而其先決條件是各測壓點壓力的時間歷程必須是同步的，也就是要測得同一時刻諸多測點的壓力[2]。IEEE1588協議是一種精密時鐘同步協議標準，基于以太網進行數據通信，占用較少資源，實現了高精度時鐘同步，非常適合用于小型網絡。當其支持硬件時間戳時，能提供高達幾百納秒甚至幾十納秒的時鐘同步精度[3]。因此，IEEE1588協議為該測量系統提供了一個可靠的時鐘同步解決方案。

目前，國內尚沒有成熟的柔性測壓帶系統，大多研究使用波音公司研發的用于飛行測試的MEMS多傳感器柔性壓力帶系統[4]和Golfarelli等[5]開發的用于檢測翼面壓力分布的基于電容式壓力傳感器陣列的測量系統，其價格昂貴。同時國內相關科研單位已經開始重視該課題的研究，西北工業大學微納米系統實驗室已經研制出了基于MEMS技術的微傳感器陣列和柔性翼面分布式壓力測量條帶，探索了測試系統實現的可行性和有效性[6]，并積累了相關設計經驗。因此，本文基于IEEE1588協議研發一款成本更低、性能更好的柔性測壓帶系統，可以填補國內該方面的空缺，對于促進空氣壓力分布測量技術的發展和氣動力相關試驗的高效開展具有很大意義。

1 總體設計方案

1.1 系統設計結構

系統采用了模塊化的設計思想，如圖1所示。它主要包括壓力片、網絡化應用處理器(NCAP)、連接帶和整流罩等部分。采用這種設計模式，可根據機翼的尺寸調整NCAP的數量、測壓帶的長度、測量點的分布密度。一個壓力片包括一個MEMS壓力傳感器，多個連接帶和壓力片串聯在一起組成測壓帶，連接至網絡化應用處理器(NCAP)，網絡化應用處理器負責采集測壓帶數據，給測壓帶供電，存儲傳感器數據，實現IEEE1588時鐘同步和利用以太網實時上傳數據。多個網絡化應用處理器可通過交換機組成一個分布式測量網絡，將數據匯總至遠端的計算機。

圖1 柔性測壓帶設計結構

1.2 數據傳輸方案

系統的網絡通信可分為兩級，如圖2所示，自上而下分別是基于TCP/IP的以太網和CAN FD總線。以太網具有容易組網、通信帶寬高和傳輸距離遠的優點，CAN FD總線是基于CAN數據鏈路層協議修改實現的，有效地提高了通信帶寬，其電路及軟件設計則相對簡單，易于開發和縮小硬件體積，同時又保證了數據傳輸的可靠性[7]。通過結合這兩種通信方案，以網絡化應用處理器作為通信紐帶，實現了對大量分散布置的測量點的控制、采集、存儲和實時傳輸[8]。

圖2 數據傳輸解決方案

1.3 同步采集方案

類似于網絡通信方案，壓力傳感器同步采集的實現同樣分為兩級。第一級使用IEEE1588協議實現所有網絡化應用處理器的高精度時鐘同步，第二級由每一個網絡化應用處理器利用本地PTP時鐘產生上升沿對齊的時鐘信號，觸發測壓帶上所有壓力片的同步采集。

2 硬件設計

2.1 網絡化應用處理器

網絡化應用處理器采用Cotex-M4內核的ARM芯片作為主控，自帶USB OTG、FSMC、UART、Ethernet MAC(支持IEEE1588V2)和SPI等外設，使用NAND FLASH作為存儲介質，并使用ARM芯片的外設USB OTG卸載數據，其他外圍電路還包括了RS232總線、CAN FD總線、以太網通信、IEEE1588硬件層、同步時鐘等，其硬件組成如圖3所示。

圖3 網絡化應用處理器硬件設計框圖

主控制器：采用意法半導體公司一款型號為STM32F407的ARM芯片。該芯片采用了32位Cortex-M4內核，并且帶有浮點運算單元，可提供最高168 MHz的工作頻率，高達1 MB的Flash和192 KB的RAM，具有高集成度、高性能、嵌入式大容量存儲器和豐富外設等特點。

以太網和IEEE1588電路：以太網電路可分為三部分，分別是MAC、PHY和網口。STM32F407內部集成了以太網MAC，而PHY和網口由外部分立元件實現，其電路連接如圖4所示。其中：MAC和PHY的通信使用RMII接口，使用的通信端口更少，減少了對STM32F407的GPIO的占用；PHY選擇德州儀器公司的DP83640芯片，該芯片和STM32F407的以太網MAC外設都提供了對IEEE1588的支持。

圖4 以太網電路連接圖

CAN FD電路：由于STM32F407沒有自帶CAN FD控制器，所以選擇了外置的CAN FD控制器和CAN FD收發器，通過SPI與MCU通信，電路連接如圖5所示。

圖5 CAN FD電路連接圖

NAND FLASH電路：STM32F407自帶的靈活靜態存儲控制器(FSMC)外設，支持連接NAND FLASH設備，NAND FLASH與STM32F407的電路連接如圖6所示，其通過FSMC接口實現對NAND FLASH的讀寫。

圖6 NAND FLASH電路連接圖

同步信號電路：同步信號用于實現測壓帶上所有的傳感器數據采集的同步，由網絡化應用處理器的MCU產生，傳送到各個壓力片。為了提高信號的抗干擾能力，將MCU的GPIO輸出的TTL電平轉換成差分信號，該工作由CAN FD收發器完成，使用的是CAN FD總線相同的收發器，同步信號電路如圖7所示。

圖7 同步信號電路連接圖

2.2 壓力片

壓力片采用一款超低功耗的ARM內核(Cotex-M0+內核)作為主控芯片，電路板設計采用FPC柔性電路板技術，選擇小體積的元件封裝(如QFN、0402等)，以保證壓力片的柔韌性，降低壓力片的厚度。壓力片硬件組成如圖8所示。

圖8 壓力片硬件設計框圖

主控制器：芯片采用Microchip公司型號為ATSAMC21E18A的芯片。該芯片具有集成度高，功耗低和尺寸小等特點，其長和寬為5 mm，厚度僅為0.8～1.0 mm。為了減小壓力片的尺寸，使用最少引腳(32 Pin)的QFN封裝，最小硬件系統僅包含必需的供電電源(+3.3 V)和SW調試接口，時鐘使用芯片內部的48 MHz的振蕩器。

傳感器電路：傳感器的型號為BME680，集成了溫度、壓力和濕度傳感器，其中壓力傳感器是基于硅壓阻式原理設計的，壓力測量范圍為30～110 kPa，工作溫度范圍-40～65 ℃，其對外接口為SPMCU，可通過SPI接口對傳感器進行配置和數據采集。

CAN FD收發器電路和同步信號電路與網絡化應用處理器相同，為了降低壓力片的厚度，收發器的封裝改成了TDFN，尺寸為2 mm×3 mm×0.75 mm。

2.3 電 源

本系統采用直流電源供電，其中壓力片電源由網絡化應用處理器供給。考慮到單條測壓帶上掛載的壓力片可能高達百個，即使單個壓力片功耗很低，但是測壓帶上所有壓力片需要的總功耗仍會很大，而作為連接帶的FFC載流能力有限。為了降低連接帶上的電流和線路上的損耗，采用大電壓小電流是較合理的解決方案。因此，電源設計采用28～42 V的直流供電，網絡化應用處理器穩壓出一路24 V電壓供給壓力片，然后壓力片在進行降壓使用，整個系統的電源解決方案如圖9所示。

圖9 電源設計方案

3 軟件設計

本系統的軟件部分全部基于兩款ARM芯片完成，網絡化應用處理器是基于Cortex-M4內核的高性能微控制器進行軟件開發，壓力片是基于Cortex-M0+內核的低功耗微控制器進行軟件開發，均使用C語言。

3.1 網絡化應用處理器

網絡化應用處理器在系統中的作用是有序地收集測壓帶上的傳感器數據，然后根據測量系統的需求選擇將數據存儲在本地存儲器或者通過局域網上傳至遠端的PC。另一方面，網絡化應用處理器還要完成時鐘同步，以輔助測壓帶上的壓力片同步的采集數據。其軟件工作流程如圖10所示。

圖10 網絡化應用處理器軟件工作流程圖

3.2 壓力片

壓力片的主要作用是根據同步脈沖準時的采集傳感器數據，并對傳感器數據補償，最后有序地將數據發送給網絡化應用處理器。其軟件工作流程如圖11所示。為了使MCU能以最快的速度響應同步脈沖，并啟動一次數據采集，以保證同步精度，程序以前/后臺形式工作。后臺程序為中斷服務函數，響應同步脈沖觸發的中斷，每發生一次中斷觸發一次數據采集。前臺是一個死循環，主要完成傳感器數據的采集、轉換和校正，并使用乒乓存儲機制實現數據的有序緩存和發送。由于傳感器BME680輸出的壓力數據存在嚴重的非線性和溫漂，為了提高傳感器測量精度，采用多項式擬合方法實現傳感器的非線性補償和溫度補償，并基于壓力片主控芯片實時修正壓力數據[9]。

圖11 壓力片軟件工作流程圖

4 性能測試與評估

研制的單條柔性測壓帶系統壓力片和測壓帶厚度僅為1.3 mm，達到了模塊化、薄片化、柔性化、低成本的要求，通過對系統數據通信帶寬、數據存儲速率、IEEE1588時鐘同步精度、傳感器精度等各項性能進行測試，其符合設計技術指標要求。

(1) 數據傳輸測試。測壓帶的長度會影響通信總線的通信速率(測壓帶的長度與通信總線的帶寬成反比)，經測試，在10 m通信距離下，CAN FD總線能夠以數據段5 Mbit/s、仲裁段和應答段1 Mbit/s的通信速率穩定傳輸數據，有效數據帶寬可達3 Mbit/s，最大支持壓力片數量為100片。另外，由于通信總線帶寬有限，單條測壓帶掛載的節點數會影響壓力片上傳感器的最大采樣率。

(2) 數據存儲測試。系統使用NAND FLASH作為存儲介質，使用RL-FlashFS管理NAND FLASH和實現FAT32格式的文件系統。經60次重復性讀寫測試，STM32F407以文件的形式對NAND FLASH的寫入速率可保證在1.5 MB/s以上，讀取速率可以保證在3 MB/s以上，可以滿足系統存儲速率需求。

(3) IEEE1588時鐘同步精度。采用文獻[10]、文獻[11]的測試方法搭建測試平臺，分別將Sync報文發送周期設置為0.5、1和2 s，測試三組數據。在測試過程中，通過觀察秒脈沖的上升沿，連續記錄誤差，每秒記錄一個數據，獲取的誤差數據分布柱狀圖如圖12所示。

圖12 從主時鐘同步誤差分布直方圖

測試結果表明：當同步周期為0.5 s時，誤差分布在-60～80 ns以內；當同步周期為1 s時，誤差分布在-80～120 ns以內；當同步周期為2 s時，誤差基本分布在-120～120 ns以內，但在測試過程中出現了一次誤差大于120 ns的情況。因此，從圖9可以更加直觀地看出：隨同步周期減小，同步誤差逐漸減小，誤差數據分布更加集中，具有更好的收斂性和魯棒性。另外，在同步周期減小后，時鐘同步收斂的速率更快。

(4) 傳感器精度測試。實驗測得，壓力傳感器未經補償時的靜態輸出最大滿量程誤差如下：在10～65 ℃時為1.627%，-40～10 ℃時為6.978%；壓力傳感器經過補償后的靜態輸出最大滿量程誤差如下：在0～65 ℃時為0.086%，-40～10 ℃時為0.575%。

從測試結果可以看出，相較未補償時，補償后傳感器的精度明顯提高，補償算法效果明顯，但是在10 ℃以下傳感器的精度仍然不太理想。雖然可以通過進一步提高多項式的次數來提高精度，但是當增加多項式次數后，由于高次項的系數非常小，無法使用32位定點數表示，如果使用更大位寬的定點數再加上高次項的乘法，單片機耗費的運算資源過多，在實時補償時對傳感器數據采集的頻率影響較大。

5 結 語

本研究設計的柔性測壓帶系統，已經達到了預期的目標，符合了測試平臺的要求。同時，該系統也是通用的，不僅僅適用于飛機，在進行風洞、風力渦輪機、高速列車以及其他氣流實驗過程中也會用到空氣壓力分布測量系統，也可以將壓力傳感器換成其他類型的傳感器，比如：加速度計、溫度傳感器或者應變計等。尤其對于需要大量傳感器的場合，該系統提供了一種安裝方便、擴展靈活、數據傳輸可靠的解決方案。該壓力測量系統設計完成后還沒有進行風洞試驗和飛行試驗，對于系統的實際測量精確度和惡劣環境的可靠性無法得以驗證。下一步工作重點是通過風洞和飛行試驗發現可能存在的問題，使測量系統更加完善。