一種新型空間微重力測量儀的研制

李增科,李云鵬,雷軍剛,席東學,宗 朝

(蘭州空間技術物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

空間實驗室、實驗衛星及飛行器中都存在微重力環境。微重力科學和空間生命科學依據環境試驗平臺，開展各項科學試驗?？臻g實驗室進行實驗蒸發與流體界面效應空間實驗研究，包括：微重力流體物理實驗[1]、流體相關沸騰氣泡實驗[2]、空間實驗室液橋熱毛細對流實驗；衛星環境下有流體蒸發與冷凝兩相系統試驗；空間試驗柜進行燃燒試驗等。所以微重力測量儀不僅能夠滿足為各類科學實驗任務環境提供數據的需求，而且能為相關領域工程化應用提出新思路[2]。

1 測量儀原理及組成

微重力測量儀傳感器采用石英撓性加速度計。石英撓性加速度計原理結構如圖1所示。圖1(a)為擺片結構。該結構采用整片融熔石英，腐蝕出擺片、邊框和撓性梁。圖1(b)為控制結構。當沿輸入軸出現加速度時，邊框隨之加速，而擺片因慣性不被加速，從而偏離平衡位置。在擺片上蒸鍍有金電極與支撐件(未畫出)上的固定電極構成差分電容。傳感器內檢測電路通過對擺片部件與支撐構成的差分電容變化進行檢測，存在電容變化時，即經伺服反饋電路放大后將電流加到力矩圈上，通過電磁力將擺片拉回到平衡位置，反饋電流與加速度成正比[3]。

圖1 石英撓性加速度計原理結構Fig.1 Principle and structure of quartz flexible accelerometer

測量原理為：對空間三坐標加速度矢量采用傳感器感知，通過檢測調理電路、模數轉換電路后，數字信號通過主控處理器進行數據處理，由內部總線經過數據處理單元與外接口進行通信。

空間實驗室微重力測量儀系統構成如圖2所示[4]。

圖2 空間實驗室微重力測量儀系統構成圖Fig.2 Diagram of the system composition of the microgravitymeter in the space laboratory

2 控制電路設計

2.1 信號檢測與調理

石英撓性加速度計分別獲得X、Y和Z三軸垂直加速度矢量，輸出與沿其輸入軸方向的加速度成正比的電流信號，并經過檢測與調理電路后輸出電壓信號。若在150 mg量程以內，加速度標度因數為1.1～1.4 mA/g,平均值為1.25 mA/g。其加速度計輸出電流為0.187 5 mA。利用I-V電路輸出電壓為5 V計算，可得反饋電阻為26.67 kΩ。加速度輸出信號接運算放大器，構成信號檢測調理電路。完成電流-電壓轉換輸出預設電壓。電路中有限流、限幅保護、匹配性功能等設計[5]。

信號檢測與調理電路如圖3所示。

圖3 信號檢測與調理電路Fig.3 Signal detection and conditioning circuit

圖3中：左側虛線框為加速度計等效電路圖；有效電流信號被認為近似電流源提供；Rx等效為內部電阻；R1為匹配電阻，其不同電阻值可影響后接入放大電路的幅頻特性。

2.2 濾波器設計

2.2.1 低通濾波器設計

模擬濾波器在滿足設計所需幅頻特性的同時，為避免信號受到外界干擾的影響因素，增加了抗混疊設計。從提高儀器測量精度角度出發，研制中要多方面考慮衰減因素：在滿足動態范圍大于72 dB的實際需求前提下，設定被測對象動態范圍、高頻干擾信號下線要求，加速度計在信號傳輸中衰減。模擬濾波器采用1級無源電阻-電容電路(resistor-capacitance circuit，RC)濾波器和1級2階巴特沃茲(Butterworth)低通濾波器，截止頻率約為500 Hz，實際測量與仿真做比較后均滿足設計要求。三階Butterworth低通濾波器電路原理如圖4所示。

圖4 三階Butterworth低通濾波器電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of third-order Butterworthlow-pass filter circuit

2.2.2 數字濾波器設計

數字濾波器采用有限長單位沖擊響應(finite impulse response,FIR)濾波器。該濾波器結構上采用非遞歸型，在幅度特性隨意設計的同時能夠保證精度嚴格的相位。微重力信號采用三軸測量，需要考慮信號相位的穩定性。數字濾波器設定參數：通帶截止頻率為300 Hz；阻帶截止為400 Hz；通帶最大衰減Ap為0.3 dB；阻帶最小衰減As為72 dB,確定階數為112階。

2.3 模數轉換電路與DSP信號控制邏輯

由加速度傳感器采集到四路模擬信號經檢測調理后，輸入到16位模數轉換器AD976。芯片具有三態輸出特性，其端口與數字信號處理器(digital signal processor,DSP)相連接的控制信號端口共用電平轉換器件。 在實際應用中，采用AGND和DGND共地方式可提高模數轉換精度。采用TI公司TM320VVC33的DSP構成最小系統[5]。轉換信號R/C由DSP引腳XF0給出，/CS信號通過DSP同類引腳經譯碼器、四路同步控制信號通過邏輯“與”給出模數轉換前，判斷內部空、托狀態引腳(BUSY)為DPS查詢AD976轉換是否結束提供依據。

AD976模數轉換器外圍電路如圖5所示。

圖5 AD976模數轉換器外圍電路Fig.5 AD976 ADC peripheral circuit

2.4 通信總線

空間微重力測量儀有兩種通信方式：①內部采用串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)通信完成數據和指令的傳輸，執行指令任務；②外接口采用1394總線通信。

控制單元采用DSP+現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)設計架構完成數據采集、處理和傳輸，以及數據傳輸單元的主控功能。SPI通信模式采用RS-422電平。該接口可實現數據雙向通信作用[6]。

①內部通信。微重力測量儀的數字信號處理器模塊與數據傳輸單元間采用四線制SPI協議進行通信。數字信號處理器模塊與數據傳輸單元間的信號傳輸采用RS-422電平，通過總線驅動器和總線接收器實現內部通信。

②1394總線通信。微重力測量儀總線通信結構如圖6所示。該結構主要由雙DSP與FPGA處理器構成。SMJ320F2812處理器負責數據傳輸運控管理和1394鏈路管理。FPGA主要負責接口時序調整，將外部總線接口時序調整為符合DSP外部接口的時序。DSP通過FPGA提供的接口，對1394芯片進行寄存器配置和數據收發[7-8]。

圖6 微重力測量儀總線通信結構圖Fig.6 Microgravity meter bus communication structure diagram

3 軟件實現

微重力測量儀主任務流程如圖7所示。

圖7 微重力測量儀主任務流程圖Fig.7 Main task flowchart of microgravity meter

空間微重力測量儀通過軟件完成各控制單元指令和數據流傳輸。軟件由三部分組成，包括主數據采集和處理(總線信號處理器)軟件、數據傳輸單元主控軟件和數據傳輸接口處理邏輯軟件。該軟件可實現數據采集、通信信號傳輸與控制、外部1394通信模塊邏輯接口電路以及內部SPI通信接口電路的功能。

①主控軟件完成信號采集、濾波、數據處理及通信等功能。

②數據傳輸單元軟件完成的主要功能：實現數據傳輸單元接口自身處理邏輯、接口與平臺系統處理邏輯、接口之間處理邏輯；完成數據通信控制和管理；完成平臺指令響應處理功能、時間碼的管理、SPI通信指令(指令中包含接口處理邏輯件FPGA、1394通信軟件內容)功能。數據傳輸接口處理邏輯軟件實現雙DSP之間的通信：主DSP通過SPI協議實現發送指令；從DSP受FPGA控制單元授權從DSP，按2 ms指令周期性地與主DSP進行數據交互和響應，從而實現工參傳輸平臺等功能。

③主控軟件完成數據的采集、數據管理、隊列管理、工作模式管理、指令解析管理、時鐘管理及SPI管理等功能。軟件的核心是AD軟件管理、SPI管理及數據管理。數據管理用于實現模擬量采集、數字濾波、數據統計預處理、數據組包等功能。這些都是測試系統中比較重要的軟件設計內容。

④1394通信軟件實現的功能包括DSP對1394鏈路芯片的訪問、SPI通信的周期控制、向控制單元發送指令、數據讀寫、異步數據接口傳輸、等時通道數據測試等。

⑤1394總線邏輯軟件實現的功能為：上電后初始化，并在2 s內正常工作；完成自守時；建立握手通信，執行指令、定時向主控單元校時；轉發指令或采集通信狀態等。

微重力測量儀內部SPI通信流程如圖8所示。

圖8 微重力測量儀內部SPI通信流程圖Fig.8 Flowchart of SPI communicationin microgravity meter

4 數據分析及準確性比對

微重力測量儀受地面重力加速度及系統測量誤差等諸多因素影響，選擇合適標定方法對測量及誤差的修正特別重要。測量儀采用動靜態標定方法：靜態標定采取三種軸向獲得標度因數和偏值；動態標定采取全頻段正弦脈沖激勵與標準計量相比對偏差修正。通過修改擬合曲線偏值進行校正，從而最大限度使測量值更接近實際值[9]。校正內容包括：對噪聲干擾影響信號幅值；因傳感器溫漂引起有效值偏離真實值、靜態標定中取樣少精度低的問題；安裝引起位置偏差。

采用立方鏡激光測量法與系統測量數據結果比對，發現各軸重力影響誤差均不超過2×10-4g，遠小于測量精度誤差1×10-3g，從而驗證了標定方法的正確性[10]。

對該測量儀進行地面與空間環境測量值比對和總結。

①地面測試情況。

空間實驗室地面穩定工況下(2017-5-10 10:23:48)微重力水平如表1所示。

表1 空間實驗室地面穩定工況下微重力水平

②在軌測測試。

在運行在距地面約300 km近地軌道運行62天(2016-11-7 11:16:47)。空間實驗室在軌穩定工況下微重力水平如表2所示。表2中：數據包總數為5 392 114。

表2 空間實驗室在軌穩定工況下微重力水平

分析結果表明：X1的通道地面測量與在軌測量數據相比，平均值偏差絕對值為0.522 mg；X2的通道地面測量與在軌測量數據相比，均值偏差絕對值為0.628 mg；不確定性均不超過0.34 mg;標差值相對誤差不超過0.7 mg數量級。除地面Z軸處于飽和狀態無法與在軌數據進行數據比較外，其他測量誤差均在設計指標范圍內，且標定參數設定更科學合理。

5 結論

本文通過闡述研制空間微重力測量儀的過程，測量空間實驗室在軌飛行的重力加速度，對開展的各項微重力實驗的微重力水平進行實時監測，為實驗艙內開展的空間科學實驗提供微重力水平參考依據。通過嵌入式設計、標定實驗修正擬合參數、不同工況實測數據比對法、綜合誤差分析法來提高測量精度等研究，為空間實驗室正常在軌運行提供保障。通過綜合評估，測量儀具有高分辨率，其接口傳輸具有通信速率快、穩定性好、動態響應快等特點。在此基礎上，新型微重力測量儀拓闊了新的領域：微振動測量、照相機空間清晰成像和其他重大科研項目領域。這一技術的成功應用，也為測量領域及相關領域的研究及產品工程化研制提供了有力的支撐和借鑒。