一種新型高精度傳感器可拓展型測試系統的數字化設計*

周少帥亓岳巖董鈞港張會新*

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西太原 030051；2.北京宇航系統工程研究所，北京 100076；3.北京強度環境研究所，北京 100076)

近年來，隨著飛行器測量技術飛速發展，壓力采編系統應運而生，記錄下的數據具有很高的價值，因此，如何記錄飛行器在各個飛行階段受到的壓力數據參數，并將這些壓力參數實時地傳到控制系統是系統設計的關鍵。

傳統采編飛行器壓力數據模式下，根據控制飛行和實驗模擬得到參數計算各個階段設定的軌道，根據實際飛行的軌道與原設定運行軌道相比較，及時調整飛行姿態。但是，這種方式比較滯后，如果在變軌的關鍵點不及時進行調整，將導致嚴重事故。如果壓力傳感器可以將數據實時同步傳輸到控制系統，控制系統根據飛行器受力情況，提前對飛行姿態進行調整，可以實現飛行器自動控制。基于以上原因，設計出數字壓力傳感器的采編系統。

該設備安裝固定于飛行裝置，實時記錄飛行器發射之后飛行器中各部分參數。為了能夠更真實、更全面地反映飛行器的受力情況、狀態參數，以及受力測量精度，增加壓力測量點，這對以后飛行器改進以及飛行姿態的調整具有重要價值。

1 總體設計

高精度數字壓力傳感器及采編系統設計由3 部分組成，首先是主要實現壓力信號采集的數字壓力傳感器，其次是主要控制多路壓力傳感器進行數據采集的傳感器變換器，并將編碼傳感器采集得到數據后傳輸到控制系統，最后是主要用于傳感器及其采編系統進行測試的地面測試臺，其功能主要是對傳感器以及測試系統進行測試，對系統接口進行模擬控制，可以打包數據傳送至上位機，進行上傳數據結果的分析。本設計中最多44 路壓力傳感器能被傳感器變換器同時進行驅動。以FPGA 完成傳感器變換器對數字壓力傳感器的邏輯和數據編碼緩存功能的控制，并通過協議發送至422 接口，為了方便測試采編系統，設計以太網接口將地面測試臺與上位機鏈接，將采集回來數據發送至上位機軟件進行數據處理，系統總體設計等如圖1 所示。

圖1 數字壓力傳感器及采編系統組成原理圖

2 壓力傳感器敏感頭選擇以及構造原理

2.1 數字壓力傳感器敏感頭的選擇

調研市面上的各種壓力敏感頭，考慮精度、測試量程，結合設計任務指標，泰科電子的2 款數字壓力敏感頭MS5803 和89BSD 滿足任務指標要求。2 種敏感頭的性能指標對比如表1 所示。

表1

通過對比2 款敏感頭的安裝方式和數據輸出方式不同，2 種壓力敏感頭在數據輸出方式SPI 模式與I2C 模式的對比如表2。

表2

同時考慮到本次設計傳感器的測點比較多，傳感器的較多的輸出線會對系統產生較多的負擔。在SPI 模式下考慮到共用時鐘線與數據線不能同時工作，也就無法實時傳送所有測點的壓力數據。而在I2C 模式下單個測點只需4 根線，能夠降低一半的電纜數量。經過綜合考慮，2 種敏感頭數據輸出方式以及安裝方式89BSD 更適合本次設計。

2.2 壓力敏感頭89BSD 構造原理

89BSD 的內部構造主要由傳感器接口以及壓阻MEMS 測試電橋組成，能夠將采集的溫度以及壓力模擬量數據轉換成24 位數字數據，然后通過數字接口發送出去，傳感器內部通過選通開關、運算放大電路、模數轉換模塊、數字濾波模塊以及PROM 及數字接口集成而成。選通開關根據89BSD 收到的命令，選通溫度以及壓力開關，選中信號經過運算放大器放大到合適電壓，然后轉換成24 位數字量信號，數字濾波器將1 kHz 以下的信號濾除，提高數字傳感器精度，數字接口按照設定的輸出的格式發送出去。數字壓力敏感頭89BSD 構造原理圖如圖2 所示。

圖2 數字敏感頭89BSD 構造原理圖

2.3 通信驅動電路設計

根據以上分析設計通信驅動電路的設計方案，采用P82B715 芯片，供電電壓為3.3 V，電源與地管腳需要接2 個電容，其中100 nF 的小電容用于濾除高頻電容，另一個1 μF 的大電容用于為供電不足時進行供電，在驅動電路的設計時，需要使用2 片P82B715 芯片，其中一片應盡量靠近數字壓力敏感頭，最好放置在數字壓力傳感器內部；另一片應盡量靠近主控芯片，放置在傳感器變換器中，在兩條通信線上各有一個3 k 的上拉電阻，為防止信號失真，在壓力敏感頭和P82B715 之間的數據線上增加33 k的上拉電阻分擔灌電流，構成完整的I2C 通信線路如圖3 所示I2C 通信驅動電路原理圖設計。

2.4 多路數據并行采編設計

傳統的采編模式下，對多路數據進行采集時，一般采用選通開關進行選通，在這種情況下采集的數據不能實現多路傳感器并行采集，本次設計對采編模式進行優化，對變換器負載的44 路傳感器分配獨立的I/O 口，FPGA 可以同時操作不同I/O 口，結合異步FIFO 完成數據的采集。傳感器每次完成1 次數據轉換，得到的44×24 位數據為1 個完整的數據包，當向FIFO 時進行編幀，幀結構如表3 所示。

圖3 I2C 通信驅動電路原理圖設計

表3 數據包編幀結構圖

2.5 以太網接口電路設計

通過查閱相關資料及往年設計經驗，本次設計以太網物理接口芯片采用PHY 芯片，可以邏輯電平信號與差分信號進行轉換，如需實現以太網通信則與介質接口RJ45 鏈接即可，本次使用T1-6T 隔離變壓器作用于RJ45 介質接口和W5300 輸出的差分信號線之間進行電平轉換來增加系統通信的可靠性，為得到150 MHz 時鐘信號需通過W5300 的內部PLL 對輸入的25 MHz 時鐘信號倍頻，復位信號/REST 由FPGA控制。如圖4 所示W5300 接口電路原理圖設計。

圖4 W5300 接口電路原理圖設計

3 多路傳感器數據采集邏輯設計

本系統主要注重于多路數據采集，重點介紹多路傳感器數據采集邏輯，首先傳感器變換器上電，向傳感器發送命令，進行CRC 校驗，校驗結束后，變換器控制傳感器進行采集，經過發送轉換完成命令，設置采樣率后，對采樣進行計時，計時完成后，對數據進行采集如圖5 所示，如圖所示多路傳感器數據采集流程圖。

圖5 多路傳感器數據采集流程圖

4 關鍵技術研究

在實際使用過程中，需要對傳感器進行標定，采用標定好的壓力表做基準儀表對傳感器的標定，采用最小二乘法原理擬合實際測量的壓力值與采集數據的理論值，最終得到實際壓力值與傳感器測量值的函數關系式。

圖6 實驗數據擬合

通過多次實驗對比，系統測量的壓力值與壓力標準器測得值如圖7 所示，實驗結果表明兩者差值不超過2 kPa，測量精度不超過1‰。

在常溫常壓實驗室的環境下，數字壓力傳感器通過傳感器變換器控制采集數據，由上位機收到的溫度和壓力數據進行顯示，從圖可以看出，幀計數完整，沒有丟包，圖8 是對部分數據用Hex Edit 分析結果。

根據圖8 顯示數據，經計算得到溫度為25.6 ℃，壓力為91.0 kPa，符合實際情況，說明傳感器正常工作，系統具有可行性。

圖7 系統測量值與實際值對比

圖8 Hex Edit 軟件中顯示的部分數據結果

5 結論

根據整個系統可行性分析以及數字壓力傳感器及采編系統設計要求，經過多次試驗測量的壓力值與標準壓力器得到的壓力值相比較，結果表明誤差小于2 kPa，測量精度誤差低于1‰，性能穩定、可靠、數據傳輸穩定和采集精度高滿足任務要求。

根據記錄實際壓力值Y與傳感器其測量值X得到方程Y＝AX+B，由最小二乘法，求出系數的A和B的值得到關系式

在上位機軟件中，當壓力為1 200 kPa 時，傳感器測量到的10 組數值求平均數代入上式，得到的系統測量的壓力值為1 200.66 kPa，系統精度為(1 200.66-1 200)/1 200 ＝0.000 555 ＝0.55‰。