概述
微型姿態(tài)測試系統(tǒng)在航天科技領(lǐng)域起著越來越重要的作用，對(duì)確定飛行體各種飛行姿 態(tài)有著重要的參考意義。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(biāo)。微型姿態(tài)測試系統(tǒng)主要用于飛行體拋撒后到落地前的三向角速度及線加速度參數(shù)的測 量、采集、編碼和記錄，并在飛行體硬回收后完成遙測數(shù)據(jù)的事后讀取和處理。
在本文的設(shè) 計(jì)中，飛行體姿態(tài)微型存儲(chǔ)器測試系統(tǒng)達(dá)到并滿足了傳統(tǒng)上難以勝任的高性能指標(biāo)和許多技 術(shù)上的苛刻要求，其中體積小，低功耗，抗過載性能高是本文設(shè)計(jì)的主要方面。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)以及狀態(tài)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)保證了小體積、低功耗的設(shè)計(jì)要求，也提高了整個(gè)系統(tǒng) 的抗高過載性能。
1 微型姿態(tài)存儲(chǔ)測量系統(tǒng)的模塊組成及工作原理[1] 如圖1 所示，為微型姿態(tài)存儲(chǔ)測量系統(tǒng)框圖。整個(gè)系統(tǒng)由過載開關(guān)、慣性組合、電源控 制及變換電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、中心控制邏輯單元、FLASH 存儲(chǔ)器和讀數(shù)接 口電路等組成。
飛行體在空中飛行中當(dāng)達(dá)到額定的過載量時(shí)，系統(tǒng)將由過載開關(guān)來觸發(fā)啟動(dòng)信號(hào)，飛行 體的三維角速度及線加速度參數(shù)由慣性組合轉(zhuǎn)化為供記錄器采集的模擬信號(hào)，記錄器將在 FPGA 中心控制單元的時(shí)序控制下對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集、編幀和存儲(chǔ)，當(dāng)記錄器被收回時(shí)， 將由地面檢測系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)化輸出給慣 性組合供電，同時(shí)將系統(tǒng)電池經(jīng)過變換輸出系統(tǒng)3.3V 給整個(gè)記錄裝置供電。信號(hào)調(diào)理模塊就是把慣性組合信號(hào)調(diào)理成可以被記錄裝置接收的0～3.3V 信號(hào)，同時(shí)保證記錄裝置足夠的 輸入阻抗，即不影響被測信號(hào)的電氣特性。
6 通道12 位A/D 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(duì)慣性組合送來的6 路信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集到 的數(shù)據(jù)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(duì)6 通道12 位A/D 轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)送來的數(shù)據(jù)按順序采集后送入128M 容量的8 位 FLASH 存儲(chǔ)器中，其路采樣率為2KHz。
在 中心控制邏輯模塊開始工作的同時(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載開關(guān)再斷開后仍能正常工作，即保證過載開關(guān)的觸發(fā)有效 性。128M 容量的8 位FLASH 存儲(chǔ)模塊主要用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，其容量為128M，數(shù)據(jù)位為8 位。 由于FLASH 存儲(chǔ)器具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的功能，所以不需要設(shè)計(jì)后備電池進(jìn)行掉電保護(hù)數(shù)據(jù)。 根據(jù)前面的技術(shù)指標(biāo)可知，128M 的容量遠(yuǎn)滿足所要求的存儲(chǔ)容量。
讀數(shù)接口模塊主要用于 記錄裝置檢測時(shí)和回收后數(shù)據(jù)的讀取。 2 微型存儲(chǔ)器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 微型姿態(tài)存儲(chǔ)器測試系統(tǒng)對(duì)電源有苛刻的要求，因?yàn)榇藴y試系統(tǒng)由電池供電，根據(jù)低功 耗的設(shè)計(jì)原則，本設(shè)計(jì)采用了MAX8882 的低壓差電源控制芯片，對(duì)輸入3.5V～5V 電壓能同 時(shí)轉(zhuǎn)換出3.3V 和2.5 電壓，通過邏輯程序控制電源芯片可有效控制整個(gè)系統(tǒng)的耗電量。當(dāng) 啟動(dòng)電源控制系統(tǒng)時(shí)，邏輯控制中心產(chǎn)生自保信號(hào)來控制MAX8882 的shutdown 使能端，使 整個(gè)系統(tǒng)正常供電。當(dāng)采集存儲(chǔ)過程完成時(shí)，邏輯控制中心產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)來控制MAX8882 停止工作，從而整個(gè)系統(tǒng)處于節(jié)能狀態(tài)。
微型姿態(tài)存儲(chǔ)器的電路設(shè)計(jì)思路主要依據(jù)對(duì)飛行體的姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，編幀和存 儲(chǔ)這一思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，信號(hào)調(diào)理電路是將姿態(tài)模擬信號(hào)進(jìn)行分壓、濾波和跟隨運(yùn)放后傳送發(fā) 給模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片， 模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)模轉(zhuǎn)換器，采樣率為265Ksps,片內(nèi)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(nèi)部和外部的采樣模式設(shè)置，在本設(shè) 計(jì)中采用了外部采樣模式。
存儲(chǔ)系統(tǒng)采用了三星公司的K9F1G08 FLASH 存儲(chǔ)器，該芯片性能良好，封裝較小，為 微型化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了便利，在邏輯中心的時(shí)序控制下，對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀、寫、擦除操 作，每種操作都采用了由FLASH 的狀態(tài)信號(hào)r/b 進(jìn)行中斷的方式。在寫操作過程中，以8 位數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，在存儲(chǔ)一頁數(shù)據(jù)時(shí)要進(jìn)行頁編程，大約要300us～700us ，等待r/b 狀態(tài) 信號(hào)的改變后進(jìn)入下一頁的存儲(chǔ)，為了使采集和存儲(chǔ)的速度相匹配，在FPGA 內(nèi)部采用了8K Bits 的雙口RAM，在FLASH 存儲(chǔ)器進(jìn)行頁編程的時(shí)候進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩存。在擦除操作過程中，對(duì) FLASH 存儲(chǔ)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(hào)的改變后進(jìn) 入下一塊的擦除。同樣在讀取數(shù)據(jù)操作中，每讀取一個(gè)字節(jié)都要等待r/b 的中斷，數(shù)據(jù)通過 檢測臺(tái)和USB 電纜傳給上位機(jī)。
本次設(shè)計(jì)的微型姿態(tài)存儲(chǔ)器測試系統(tǒng)的另一個(gè)主要突出點(diǎn)在于它的微型化 ，整個(gè)的記 錄器的各個(gè)芯片都采用了小型化的貼片封裝，電路板采用了四層板工藝制作，中間分別為電 源層和地層，不僅大大較小了記錄器的體積，同時(shí)對(duì)信號(hào)的隔離和抗干擾性也起到了一定的 積極作用。
3 邏輯流程圖設(shè)計(jì)
流程圖見圖2 所示，整個(gè)過程由過載開關(guān)啟動(dòng)電源控制芯片以啟動(dòng)整個(gè)FPGA 的控制 時(shí)序，復(fù)位模塊由上位機(jī)復(fù)位，上電自動(dòng)復(fù)位和軟復(fù)位組合而成，當(dāng)啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，首先 要對(duì)系統(tǒng)初始化復(fù)位，同時(shí)定義一個(gè)觸發(fā)信號(hào)“esok”使初始化為“0”，以便觸發(fā)控制單元， 使系統(tǒng)進(jìn)入自檢狀態(tài)，在自檢模塊中，F(xiàn)PGA 首先要從FLASH 存儲(chǔ)器第六頁連續(xù)讀取16 頁的 數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是否為“FF”，如果不是，則存儲(chǔ)器內(nèi)有數(shù)據(jù)存在，系統(tǒng)將停止在這個(gè)狀 態(tài)；如果是則觸發(fā)信號(hào)“esok”為“1” 以啟動(dòng)A/D 采集數(shù)據(jù)模塊和FLASH 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)模塊， 此時(shí)，中心控制模塊在響應(yīng)采集模塊的中斷使A/D 模塊以16K 的采樣率往FPGA 內(nèi)部的雙口RAM 寫數(shù)據(jù)，同時(shí)FLASH 存儲(chǔ)模塊在中心控制模塊下，判斷并推進(jìn)RAM 的地址以讀取RAM 的 數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)不斷寫入FLASH 存儲(chǔ)器的同時(shí)判斷數(shù)據(jù)容量是否達(dá)到指定的數(shù)據(jù)量，如果沒有， 則返回到FLASH 寫狀態(tài)繼續(xù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，一旦達(dá)到，系統(tǒng)則觸發(fā)一個(gè)信號(hào)來控制電源模塊關(guān)閉 電源，使整個(gè)系統(tǒng)停止工作，以減小耗電量。當(dāng)插上讀數(shù)口時(shí)啟動(dòng)USB 在線，在上位機(jī)的控 制下，對(duì)FLASH 存儲(chǔ)器進(jìn)行讀取操作，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行事后分析和處理。
結(jié)束語
該微型姿態(tài)存儲(chǔ)測試系統(tǒng)工作性能良好，在拋撒試驗(yàn)中得到如圖3 所示的信號(hào)，達(dá)到了 理論要求，成功的完成了飛行體姿態(tài)參數(shù)的采集和存儲(chǔ)，通過多次試驗(yàn)證明，該微型測試系 統(tǒng)具有一定的工程應(yīng)用性并對(duì)其他測試設(shè)計(jì)有著重要參考意義。