基于姿態(tài)測量的微型存儲系統的設計

摘要：本文主要介紹了微型存儲測試系統在姿態(tài)測量中的設計，結合飛行體在飛行時(shí)各種變化姿態(tài)的采集，編幀，存儲這一問(wèn)題，詳細地闡述了微型存儲測試系統的工作原理、系統組成、軟硬件設計以及所實(shí)現的性能指標；根據微型存儲測試系統的具體工作過(guò)程，結合大量的拋撒試驗，利用FPGA比較系統的設計和完善了微型存儲器的各個(gè)工作狀態(tài)，提高了存儲器系統工作的可靠性，最后通過(guò)軟件對試驗數據的讀取和分析，驗證該微型測量系統的正確性。

　　概述

　　微型姿態(tài)測試系統在航天科技領(lǐng)域起著(zhù)越來(lái)越重要的作用，對確定飛行體各種飛行姿 態(tài)有著(zhù)重要的參考意義。在測試領(lǐng)域中，低功耗，小體積，噪聲小，大容量已是競爭的主要 目標。微型姿態(tài)測試系統主要用于飛行體拋撒后到落地前的三向角速度及線(xiàn)加速度參數的測 量、采集、編碼和記錄，并在飛行體硬回收后完成遙測數據的事后讀取和處理。

　　在本文的設 計中，飛行體姿態(tài)微型存儲器測試系統達到并滿(mǎn)足了傳統上難以勝任的高性能指標和許多技 術(shù)上的苛刻要求，其中體積小，低功耗，抗過(guò)載性能高是本文設計的主要方面。從系統結構 設計、電源設計以及狀態(tài)設計等環(huán)節保證了小體積、低功耗的設計要求，也提高了整個(gè)系統 的抗高過(guò)載性能。

　　1 微型姿態(tài)存儲測量系統的模塊組成及工作原理[1] 如圖1 所示，為微型姿態(tài)存儲測量系統框圖。整個(gè)系統由過(guò)載開(kāi)關(guān)、慣性組合、電源控 制及變換電路、信號調理電路、A/D 轉換系統、中心控制邏輯單元、FLASH 存儲器和讀數接 口電路等組成。

　　飛行體在空中飛行中當達到額定的過(guò)載量時(shí)，系統將由過(guò)載開(kāi)關(guān)來(lái)觸發(fā)啟動(dòng)信號，飛行 體的三維角速度及線(xiàn)加速度參數由慣性組合轉化為供記錄器采集的模擬信號，記錄器將在 FPGA 中心控制單元的時(shí)序控制下對模擬信號進(jìn)行采集、編幀和存儲，當記錄器被收回時(shí)， 將由地面檢測系統對存儲器的數據進(jìn)行讀取和事后處理。

　　電源控制及變換模塊接收到“啟動(dòng)”命令后，就將飛行體上裝載的電源經(jīng)轉化輸出給慣 性組合供電，同時(shí)將系統電池經(jīng)過(guò)變換輸出系統3.3V 給整個(gè)記錄裝置供電。信號調理模塊就是把慣性組合信號調理成可以被記錄裝置接收的0～3.3V 信號，同時(shí)保證記錄裝置足夠的 輸入阻抗，即不影響被測信號的電氣特性。

　　6 通道12 位A/D 轉換系統的功能是在中心控制 邏輯模塊的控制下，按照12KHz 的采樣率對慣性組合送來(lái)的6 路信號進(jìn)行采集，并將采集到 的數據送到中心控制邏輯模塊中。

　　中心控制邏輯模塊是整個(gè)記錄裝置的核心部分，它的功能是對6 通道12 位A/D 轉換系 統送來(lái)的數據按順序采集后送入128M 容量的8 位 FLASH 存儲器中，其路采樣率為2KHz。

　　在 中心控制邏輯模塊開(kāi)始工作的同時(shí)，就隨之發(fā)出“自保”命令給電源控制及變換模塊，以保 證電源控制及變換模塊即使在過(guò)載開(kāi)關(guān)再斷開(kāi)后仍能正常工作，即保證過(guò)載開(kāi)關(guān)的觸發(fā)有效 性。128M 容量的8 位FLASH 存儲模塊主要用于數據的存儲，其容量為128M，數據位為8 位。 由于FLASH 存儲器具有掉電保持數據的功能，所以不需要設計后備電池進(jìn)行掉電保護數據。 根據前面的技術(shù)指標可知，128M 的容量遠滿(mǎn)足所要求的存儲容量。

　　讀數接口模塊主要用于 記錄裝置檢測時(shí)和回收后數據的讀取。 2 微型存儲器系統的硬件設計 微型姿態(tài)存儲器測試系統對電源有苛刻的要求，因為此測試系統由電池供電，根據低功 耗的設計原則，本設計采用了MAX8882 的低壓差電源控制芯片，對輸入3.5V～5V 電壓能同 時(shí)轉換出3.3V 和2.5 電壓，通過(guò)邏輯程序控制電源芯片可有效控制整個(gè)系統的耗電量。當 啟動(dòng)電源控制系統時(shí)，邏輯控制中心產(chǎn)生自保信號來(lái)控制MAX8882 的shutdown 使能端，使 整個(gè)系統正常供電。當采集存儲過(guò)程完成時(shí)，邏輯控制中心產(chǎn)生觸發(fā)信號來(lái)控制MAX8882 停止工作，從而整個(gè)系統處于節能狀態(tài)。

　　微型姿態(tài)存儲器的電路設計思路主要依據對飛行體的姿態(tài)參數進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，編幀和存 儲這一思路進(jìn)行設計，信號調理電路是將姿態(tài)模擬信號進(jìn)行分壓、濾波和跟隨運放后傳送發(fā) 給模數轉換芯片， 模數轉換電路采用了美信公司的MAX1295 芯片，它是6 通道12 位精度逐 次逼近式的數模轉換器，采樣率為265Ksps,片內集成了高性能的采樣保持電路和參考電壓 源。同時(shí)還具有較低的功耗和較高的信噪比，可以進(jìn)行內部和外部的采樣模式設置，在本設 計中采用了外部采樣模式。

　　存儲系統采用了三星公司的K9F1G08 FLASH 存儲器，該芯片性能良好，封裝較小，為 微型化測試系統設計提供了便利，在邏輯中心的時(shí)序控制下，對存儲器進(jìn)行讀、寫(xiě)、擦除操 作，每種操作都采用了由FLASH 的狀態(tài)信號r/b 進(jìn)行中斷的方式。在寫(xiě)操作過(guò)程中，以8 位數據進(jìn)行存取，在存儲一頁(yè)數據時(shí)要進(jìn)行頁(yè)編程，大約要300us～700us ，等待r/b 狀態(tài) 信號的改變后進(jìn)入下一頁(yè)的存儲，為了使采集和存儲的速度相匹配，在FPGA 內部采用了8K Bits 的雙口RAM，在FLASH 存儲器進(jìn)行頁(yè)編程的時(shí)候進(jìn)行數據的緩存。在擦除操作過(guò)程中，對 FLASH 存儲器要進(jìn)行塊擦除，擦除一塊時(shí)間要2ms～3ms,等待r/b 狀態(tài)信號的改變后進(jìn) 入下一塊的擦除。同樣在讀取數據操作中，每讀取一個(gè)字節都要等待r/b 的中斷，數據通過(guò) 檢測臺和USB 電纜傳給上位機。