便攜式伺服機構靜態(tài)測試儀的系統設計

作者/ 周毅然 張怡文 上海航天控制技術(shù)研究所(上海 200233)

摘要：本文基于某火箭配套各級伺服機構產(chǎn)品油面電壓及充氣壓力的靜態(tài)測試，設計了一套便攜式伺服機構靜態(tài)檢測儀。系統硬件采用模塊化設計，分為數據采集模塊、數據顯示存儲模塊和供電模塊，采用FPGA+A/D芯片的方案對高速數據采集處理和控制，基于A(yíng)M3359的嵌入式單板機開(kāi)發(fā)平臺對數據進(jìn)行存儲和實(shí)時(shí)顯示，供電使用鉛酸電池;系統軟件采用基于Labview2011虛擬儀器技術(shù)，軟件按功能分為數據采集模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊和錯誤處理模塊。系統具有測量精度高，實(shí)時(shí)性好，操作簡(jiǎn)單和便攜等優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足伺服機構的生產(chǎn)、試驗、外場(chǎng)測試的需要。

引言

　　伺服機構是運載火箭控制系統的執行機構，根據控制系統的指令，伺服機構控制噴管的擺角或二次噴射閥門(mén)的開(kāi)度，改變發(fā)動(dòng)機噴焰的排出方向，實(shí)現火箭飛行姿態(tài)控制。為了確保被測伺服機構產(chǎn)品工作可靠性，需要定期對伺服機構進(jìn)行靜態(tài)測試。伺服機構的測試現場(chǎng)，現場(chǎng)環(huán)境復雜，伺服機構體積較大，數量較多，占地比較分散，數據測試頻率較高，傳統的伺服機構自動(dòng)化測試系統，采用PC機+機柜的方案，雖然測試功能比較豐富，可以測試伺服機構靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數，測量精度更高，但其體積龐大，攜帶不方便，測試效率比較低。

　　本論文設計的伺服機構靜態(tài)測試儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)靜態(tài)測試儀)用于伺服機構產(chǎn)品的靜態(tài)檢測，信號的采集、調理基于自制板卡實(shí)現，存儲和顯示等功能基于嵌入式單板機實(shí)現，不需要獨立的計算機，因此使得檢測儀的體積大大減小，顯著(zhù)提高了儀器的小型化和便攜化程度[1]。伺服機構和靜態(tài)測試儀通過(guò)電纜連接，可以同時(shí)測量伺服機構所有靜態(tài)參數，大大提高了靜態(tài)測試的效率。文章詳細介紹了油氣壓檢測儀的組成、工作原理及軟硬件設計。

1 系統工作原理

　　伺服機構產(chǎn)品的靜態(tài)檢測主要是指在產(chǎn)品不工作的狀態(tài)下對多通道油面電壓和充氣壓力等靜態(tài)參數的檢測。伺服機構的油面電壓通過(guò)變阻式的位置傳感器轉換為量程為±15V的數值輸出，轉換系數為1V/V，充氣壓力同樣通過(guò)變阻式的位置傳感器為量程+6V的數值輸出，轉換系統為4.167MPa/V，靜態(tài)測試儀需提供±15V和+6V電壓給伺服機構，伺服機構內部原理圖如圖1所示。

　　靜態(tài)測試儀系統由硬件部分、軟件部分和電纜組成，硬件部分集中于一個(gè)獨立的機箱，便攜、可靠，封閉性好，硬件主要由三部分組成，即數據采集模塊、數據顯示存儲模塊和供電模塊。數據采集模塊以FPGA為核心，對采集信號進(jìn)行調理，控制ADC轉換操作，最后以串口形式傳送給數據到顯示存儲模塊;數據顯示存儲模塊存儲采用AM3359的嵌入式單板機為開(kāi)發(fā)平臺，采集數據在flash中，并在彩色觸摸屏上顯示;供電模塊采用電池供電，分為兩個(gè)部分，一部分為靜態(tài)測試儀系統供電，一部分為伺服機構供電。測試軟件采用Labview2011平臺編寫(xiě)程序，模塊化設計，可讀性好，可維護性好，操作方便。系統總體框圖如圖2所示。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集模塊

　　數據采集模塊主要實(shí)現對采集信號的調理、模數轉換和串口通訊。鑒于FPGA功能強大、邏輯速度快、集成度高、電路設計簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)周期短、編程配置靈活等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用FPGA來(lái)控制ADC，并將處理后的數據通過(guò)串口送到數據顯示存儲模塊，保證數據采集的實(shí)時(shí)性和準確性。

　　(1)基于產(chǎn)品的輸出阻抗較小、輸出電壓值較高的特點(diǎn)，需要對產(chǎn)品信號進(jìn)行電壓跟隨、分壓和隔離等數據調理，提高設備的輸入阻抗，轉換信號到合適量程中。

　　(2)數據采集模塊的采集通道數有6路，A/D轉換芯片采用ADI公司的AD7656。AD7656為6通道16位逐次逼近型、低功耗、可處理輸入頻率高達8MHz的信號、最大采集速度為250kS/s的A/D轉換芯片。

　　本設計使用AD7656高速并行接口，與FPGA并行連接，工作原理如下:芯片內部包含六個(gè)ADC，分別由CONVSTA、B、C引腳控制轉換開(kāi)始，在CONVSTx的上升沿，被選中的ADC的跟蹤保持電路會(huì )被置為保持模式，轉換開(kāi)始。在CONVSTx信號的上升沿后，BUSY信號會(huì )置1，這表示轉換正在進(jìn)行。轉換時(shí)鐘是由內部產(chǎn)生的，轉換時(shí)間是從CONVSTx信號上升沿開(kāi)始的3μs，當BUSY信號變成低電平，表示轉換結束。在BUSY信號的下降沿，跟蹤保持電路返回跟蹤模式，數據通過(guò)并行接口從輸出寄存器中被讀出，圖3為AD7656并行接口字模式下的讀操作數據流^[2]。

　　(3)串口功能的實(shí)現主要有三個(gè)模塊構成，即波特率發(fā)生器模塊、發(fā)送模塊和接收模塊^[3]。

　　a.波特率發(fā)生器實(shí)際是一個(gè)分頻器，從定系統時(shí)鐘頻率得到要求的波特率。RS-232-C有一系列波特率標準：2400b/s、4800b/s、9600b/s、14.4kb/s、19.2kb/s等。一般來(lái)講，為了提高系統的容錯性處理，要求波特率發(fā)生器的輸出時(shí)鐘為實(shí)際串口數據波特率的N倍，N可以取值為8、16、32、64等。在本設計中，取N為16，波特率為9600b/s，因此，波特率發(fā)生器的輸出信號頻率應該為9600×16=153.6k/s，由于系統時(shí)鐘為50MHz，經(jīng)過(guò)計算，需要325分頻實(shí)現9600波特率的產(chǎn)生。

　　b.發(fā)送模塊：由于波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號clk的頻率為9600Hz的16倍，因此，在發(fā)送器中，每16個(gè)clk周期發(fā)送一個(gè)有效比特，發(fā)送數據格式嚴格按照串口數據幀來(lái)完成：首先是起始位，其次是8個(gè)有效數據比特，最后是一位停止位。發(fā)送模塊的狀態(tài)轉移圖如圖4所示，包括5個(gè)狀態(tài)：s_idle、s_start、s_wait、s_shift和s_stop。

　　其中，s_idle為空閑狀態(tài)，當發(fā)送任務(wù)已完成時(shí)，發(fā)送模塊就處于s_idle狀態(tài)，等待下一個(gè)發(fā)送指令tx_cmd的到來(lái)。s_idle中，發(fā)送完成指示tx_ready為高電平，表明可以接受發(fā)送指令。當tx_cmd有效時(shí)，發(fā)送模塊的下一狀態(tài)s_start。

　　s_start為發(fā)送模塊的起始狀態(tài)，拉低tx_ready信號，表明發(fā)送模塊正處于工作中，并拉低發(fā)送比特線(xiàn)txd，給出起始位，然后跳轉到s_wait狀態(tài)。

　　s_wait為發(fā)送模塊的等待狀態(tài)，保持所有信號值不變。當發(fā)送模塊處于這一狀態(tài)時(shí)，等待計滿(mǎn)16個(gè)clk后，判斷8個(gè)有效數據比特是否發(fā)送完畢，如果發(fā)送完畢，跳轉到s_stop，結束有效數據的發(fā)送;否則，跳轉到s_shift狀態(tài)，發(fā)送下一個(gè)有效比特。

　　s_shift為數據移位狀態(tài)，發(fā)送模塊在這一狀態(tài)將下一個(gè)發(fā)送的數據移動(dòng)到發(fā)送端口上，然后跳到s_wait狀態(tài)。

　　s_stop狀態(tài)完成停止位的發(fā)送，當有效數據發(fā)送完成后，發(fā)送模塊進(jìn)入該狀態(tài)，發(fā)送一個(gè)停止位，發(fā)送完成后自動(dòng)進(jìn)入s_idle狀態(tài)，并且將tx_ready信號拉高。

　　c.接收模塊：在接受系統中，為了避免毛刺影響，能夠得到正常的起始信號和有效數據，需要完成一個(gè)簡(jiǎn)單的最大似然判決，其方法如下：由于clk信號的頻率為9600Hz的16倍，則對于每個(gè)數據都會(huì )有16個(gè)樣值，最終采樣比特值為出現次數超過(guò)8次的電平邏輯值，接收模塊的狀態(tài)轉移圖如圖5所示，包括3個(gè)狀態(tài)：s_idle、s_sample和s_stop。

　　其中，s_idle狀態(tài)為空閑狀態(tài)，系統復位后，接收模塊就處于這一狀態(tài)，一直檢測接收指令rxd是否從1跳變?yōu)?，一個(gè)起始位代表著(zhù)新的一幀數據。一旦檢測到起始位，立刻進(jìn)入s_sample狀態(tài)，采集有效數據。

　　s_sample為數據采樣狀態(tài)，在此狀態(tài)下，接收模塊連續采樣數據，并對每16個(gè)采樣值進(jìn)行最大似然判決，得到相應的邏輯值，這一過(guò)程重復8次。然后依次完成串并轉換，直到接收完8個(gè)數據比特后，直接進(jìn)入s_stop狀態(tài)。

　　s_stop狀態(tài)用于檢測停止位，為了使得接收模塊的使用范圍更廣，在這一狀態(tài)等待一定的時(shí)間后，直接跳轉到s_idle。

　　(4) FPGA芯片使用的是Xilinx公司Spartan-3A系列的XC3S400A，采用90nm工藝，密度高達74880個(gè)邏輯單元。工作時(shí)鐘為50MHz。FPGA開(kāi)發(fā)工具采用Xilinx公司推出的ISE軟件，配置模式上串行模式，采用串行PROM編程FPGA;設計輸入方式是硬件描述語(yǔ)言輸入，根據A/D和串口的工作原理，采用Verilog硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)A/D和串口程序。

2.2 數據顯示、存儲模塊

　　數據顯示、存儲模塊是對串口采集的數據進(jìn)行顯示和存儲，采用SBC8600B作為硬件平臺。SBC8600B是英蓓特公司推出的一款基于A(yíng)M3359的嵌入式單板機，具有豐富的接口和外設，支持Linux 3.2.0、WinCE 7及Android2.3三種操作系統。本設計中軟件使用的是WinCE 7，顯示器采用7英寸的彩色觸摸屏，支持各種主流通信方式，系統硬件結構圖如圖6所示。

2.3 供電模塊

　　為了滿(mǎn)足便攜式儀表便攜、輕便，運行方便快捷的要求，本設計采用可充電電池供電。主流可充電電池主要有鉛酸電池、鎳鎘電池和液態(tài)鋰離子電池等，基于鉛酸電池成本低、可以較大電流放電、結實(shí)耐用、安全性好等特點(diǎn)，選用Yuasa標準NP系列湯淺可充電鉛酸電池，壽命5年，輸出電壓為12V，額定容量為12Ah，輸出最大電流為0.25×容量=3A，經(jīng)過(guò)測試整個(gè)系統消耗的電流不到2A，電池滿(mǎn)足功率方面要求^[4]。

3 系統軟件設計

　　軟件采用Labview平臺開(kāi)發(fā)，該平臺具有獨特的模塊化多循環(huán)應用程序框架，可以提高程序的模塊性，減少頂層框架圖的大小，提升應用程序的靈活性、可靠性、可維護性、可擴展性和穩定性。應用程序框架的靈活性，可以通過(guò)將常用的功能元素劃分為聚合的任務(wù)，并將并行循環(huán)應用于每個(gè)任務(wù)來(lái)優(yōu)化。并行循環(huán)提供同時(shí)執行多個(gè)任務(wù)的靈活性。Labview為每一個(gè)并行循環(huán)分配一個(gè)單獨的線(xiàn)程，而每個(gè)線(xiàn)程可以運行在單獨的并行處理機上。此外，并行循環(huán)允許使用While循環(huán)的延遲和定時(shí)循環(huán)的優(yōu)先權來(lái)指定和調整每個(gè)任務(wù)的有限級。因此，基于多個(gè)并行循環(huán)的應用程序框架有助于優(yōu)化應用程序的性能。軟件按功能分為數據采集模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊和錯誤處理模塊。軟件框圖如圖7所示。

　　數據采集線(xiàn)程實(shí)現的串口通訊，通訊方式、通訊參數、通訊協(xié)議在配置文件中進(jìn)行自動(dòng)配置，軟件采用應答模式定時(shí)進(jìn)行數據交互，然后對接收數據進(jìn)行數據解析，再把解析后的原始數據通過(guò)隊列發(fā)送給數據處理線(xiàn)程和數據存儲線(xiàn)程。

　　數據處理線(xiàn)程實(shí)時(shí)處理數據采集線(xiàn)程采集的測試數據，處理方式有均值處理、低通濾波處理、高通濾波處理、最大值最小值比對等各種處理方式。該線(xiàn)程的運行周期由采集線(xiàn)程運行決定，為被動(dòng)等待方式。

　　數據存儲線(xiàn)程和數據處理線(xiàn)程類(lèi)似，該線(xiàn)程實(shí)時(shí)存儲數據原始數據和各種處理后的數據，方便用戶(hù)事后查詢(xún)歷史數據，檢驗數據解析方式的功能和性能。

　　錯誤處理線(xiàn)程實(shí)時(shí)監測其他線(xiàn)程的狀態(tài)，把錯誤類(lèi)型分為不同等級：警告、一般、嚴重。當其他線(xiàn)程運行過(guò)程中發(fā)生錯誤，該線(xiàn)程首先識別該錯誤的等級，然后按照等級程度處理錯誤。若為警告錯誤，則記錄該警告的識別碼、描述等信息，不作處理，若為一般錯誤，則根據錯誤出處進(jìn)行劃分，采集線(xiàn)程中的錯誤，則立即停止采樣，記錄錯誤信息，退出軟件，其他線(xiàn)程中的錯誤，作警告錯誤處理。若為嚴重錯誤，處理方式與采集線(xiàn)程一般錯誤一致^[5]。

4 測試系統實(shí)現

4.1 測試系統硬件實(shí)物

　　測試系統硬件實(shí)物如圖8所示。測試系統的機箱采用派力肯公司的型號為1400的軍用便攜式機箱，具有抗震、防爆和密封等特性，機箱內部可安裝觸摸屏和操作面板，觸摸屏為7英寸的彩色觸摸屏，操作面板上有豐富的接口。

4.2 測試系統的測試實(shí)驗

　　通過(guò)標準儀表萬(wàn)用表和靜態(tài)測試儀分別對伺服機構產(chǎn)品的一路油面電壓和充氣壓力進(jìn)行測試，測試結果如表1所示。

5 結論

　　本文介紹用于伺服機構產(chǎn)品油面電壓及充氣壓力檢測的靜態(tài)檢測儀，采用模塊化軟硬件設計，基于A(yíng)M3359的嵌入式單板機硬件開(kāi)發(fā)平臺，軟件采用Labview平臺開(kāi)發(fā)，使用軍用便攜式機箱，實(shí)現了測試設備的小型化，便于設備的修改、維護和擴展，提高了設備的穩定性和可靠性，滿(mǎn)足伺服機構的生產(chǎn)、試驗、外場(chǎng)測試的需要。實(shí)際試驗結果表明，本文設計的伺服機構油氣壓測試設備滿(mǎn)足油面電壓及充氣壓力的靜態(tài)特征測試需求，油面電壓和充氣壓力精度均<0.5%。

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本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第65頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。