便攜式伺服機構(gòu)靜態(tài)測試儀的系統(tǒng)設(shè)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(gòu)產(chǎn)品油面電壓及充氣壓力的靜態(tài)測試，設(shè)計了一套便攜式伺服機構(gòu)靜態(tài)檢測儀。系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計，分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集處理和控制，基于AM3359的嵌入式單板機開發(fā)平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和實時顯示，供電使用鉛酸電池;系統(tǒng)軟件采用基于Labview2011虛擬儀器技術(shù)，軟件按功能分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和錯誤處理模塊。系統(tǒng)具有測量精度高，實時性好，操作簡單和便攜等優(yōu)點，滿足伺服機構(gòu)的生產(chǎn)、試驗、外場測試的需要。

引言

　　伺服機構(gòu)是運載火箭控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，伺服機構(gòu)控制噴管的擺角或二次噴射閥門的開度，改變發(fā)動機噴焰的排出方向，實現(xiàn)火箭飛行姿態(tài)控制。為了確保被測伺服機構(gòu)產(chǎn)品工作可靠性，需要定期對伺服機構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)測試。伺服機構(gòu)的測試現(xiàn)場，現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，伺服機構(gòu)體積較大，數(shù)量較多，占地比較分散，數(shù)據(jù)測試頻率較高，傳統(tǒng)的伺服機構(gòu)自動化測試系統(tǒng)，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(gòu)靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)，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(shè)計的伺服機構(gòu)靜態(tài)測試儀(以下簡稱靜態(tài)測試儀)用于伺服機構(gòu)產(chǎn)品的靜態(tài)檢測，信號的采集、調(diào)理基于自制板卡實現(xiàn)，存儲和顯示等功能基于嵌入式單板機實現(xiàn)，不需要獨立的計算機，因此使得檢測儀的體積大大減小，顯著提高了儀器的小型化和便攜化程度[1]。伺服機構(gòu)和靜態(tài)測試儀通過電纜連接，可以同時測量伺服機構(gòu)所有靜態(tài)參數(shù)，大大提高了靜態(tài)測試的效率。文章詳細(xì)介紹了油氣壓檢測儀的組成、工作原理及軟硬件設(shè)計。

1 系統(tǒng)工作原理

　　伺服機構(gòu)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(shù)的檢測。伺服機構(gòu)的油面電壓通過變阻式的位置傳感器轉(zhuǎn)換為量程為±15V的數(shù)值輸出，轉(zhuǎn)換系數(shù)為1V/V，充氣壓力同樣通過變阻式的位置傳感器為量程+6V的數(shù)值輸出，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為4.167MPa/V，靜態(tài)測試儀需提供±15V和+6V電壓給伺服機構(gòu)，伺服機構(gòu)內(nèi)部原理圖如圖1所示。

　　靜態(tài)測試儀系統(tǒng)由硬件部分、軟件部分和電纜組成，硬件部分集中于一個獨立的機箱，便攜、可靠，封閉性好，硬件主要由三部分組成，即數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示存儲模塊和供電模塊。數(shù)據(jù)采集模塊以FPGA為核心，對采集信號進(jìn)行調(diào)理，控制ADC轉(zhuǎn)換操作，最后以串口形式傳送給數(shù)據(jù)到顯示存儲模塊;數(shù)據(jù)顯示存儲模塊存儲采用AM3359的嵌入式單板機為開發(fā)平臺，采集數(shù)據(jù)在flash中，并在彩色觸摸屏上顯示;供電模塊采用電池供電，分為兩個部分，一部分為靜態(tài)測試儀系統(tǒng)供電，一部分為伺服機構(gòu)供電。測試軟件采用Labview2011平臺編寫程序，模塊化設(shè)計，可讀性好，可維護(hù)性好，操作方便。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)對采集信號的調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)計簡單、開發(fā)周期短、編程配置靈活等一系列優(yōu)點，采用FPGA來控制ADC，并將處理后的數(shù)據(jù)通過串口送到數(shù)據(jù)顯示存儲模塊，保證數(shù)據(jù)采集的實時性和準(zhǔn)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，需要對產(chǎn)品信號進(jìn)行電壓跟隨、分壓和隔離等數(shù)據(jù)調(diào)理，提高設(shè)備的輸入阻抗，轉(zhuǎn)換信號到合適量程中。

　　(2)數(shù)據(jù)采集模塊的采集通道數(shù)有6路，A/D轉(zhuǎn)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(dá)8MHz的信號、最大采集速度為250kS/s的A/D轉(zhuǎn)換芯片。

　　本設(shè)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(nèi)部包含六個ADC，分別由CONVSTA、B、C引腳控制轉(zhuǎn)換開始，在CONVSTx的上升沿，被選中的ADC的跟蹤保持電路會被置為保持模式，轉(zhuǎn)換開始。在CONVSTx信號的上升沿后，BUSY信號會置1，這表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。轉(zhuǎn)換時鐘是由內(nèi)部產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)換時間是從CONVSTx信號上升沿開始的3μs，當(dāng)BUSY信號變成低電平，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。在BUSY信號的下降沿，跟蹤保持電路返回跟蹤模式，數(shù)據(jù)通過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(shù)據(jù)流^[2]。

　　(3)串口功能的實現(xiàn)主要有三個模塊構(gòu)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)生器實際是一個分頻器，從定系統(tǒng)時鐘頻率得到要求的波特率。RS-232-C有一系列波特率標(biāo)準(zhǔn)：2400b/s、4800b/s、9600b/s、14.4kb/s、19.2kb/s等。一般來講，為了提高系統(tǒng)的容錯性處理，要求波特率發(fā)生器的輸出時鐘為實際串口數(shù)據(jù)波特率的N倍，N可以取值為8、16、32、64等。在本設(shè)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(yīng)該為9600×16=153.6k/s，由于系統(tǒng)時鐘為50MHz，經(jīng)過計算，需要325分頻實現(xiàn)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)生的時鐘信號clk的頻率為9600Hz的16倍，因此，在發(fā)送器中，每16個clk周期發(fā)送一個有效比特，發(fā)送數(shù)據(jù)格式嚴(yán)格按照串口數(shù)據(jù)幀來完成：首先是起始位，其次是8個有效數(shù)據(jù)比特，最后是一位停止位。發(fā)送模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示，包括5個狀態(tài)：s_idle、s_start、s_wait、s_shift和s_stop。

　　其中，s_idle為空閑狀態(tài)，當(dāng)發(fā)送任務(wù)已完成時，發(fā)送模塊就處于s_idle狀態(tài)，等待下一個發(fā)送指令tx_cmd的到來。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(dāng)tx_cmd有效時，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txd，給出起始位，然后跳轉(zhuǎn)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(dāng)發(fā)送模塊處于這一狀態(tài)時，等待計滿16個clk后，判斷8個有效數(shù)據(jù)比特是否發(fā)送完畢，如果發(fā)送完畢，跳轉(zhuǎn)到s_stop，結(jié)束有效數(shù)據(jù)的發(fā)送;否則，跳轉(zhuǎn)到s_shift狀態(tài)，發(fā)送下一個有效比特。

　　s_shift為數(shù)據(jù)移位狀態(tài)，發(fā)送模塊在這一狀態(tài)將下一個發(fā)送的數(shù)據(jù)移動到發(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(dāng)有效數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，發(fā)送模塊進(jìn)入該狀態(tài)，發(fā)送一個停止位，發(fā)送完成后自動進(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(tǒng)中，為了避免毛刺影響，能夠得到正常的起始信號和有效數(shù)據(jù)，需要完成一個簡單的最大似然判決，其方法如下：由于clk信號的頻率為9600Hz的16倍，則對于每個數(shù)據(jù)都會有16個樣值，最終采樣比特值為出現(xiàn)次數(shù)超過8次的電平邏輯值，接收模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示，包括3個狀態(tài)：s_idle、s_sample和s_stop。

　　其中，s_idle狀態(tài)為空閑狀態(tài)，系統(tǒng)復(fù)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)?，一個起始位代表著新的一幀數(shù)據(jù)。一旦檢測到起始位，立刻進(jìn)入s_sample狀態(tài)，采集有效數(shù)據(jù)。

　　s_sample為數(shù)據(jù)采樣狀態(tài)，在此狀態(tài)下，接收模塊連續(xù)采樣數(shù)據(jù)，并對每16個采樣值進(jìn)行最大似然判決，得到相應(yīng)的邏輯值，這一過程重復(fù)8次。然后依次完成串并轉(zhuǎn)換，直到接收完8個數(shù)據(jù)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)等待一定的時間后，直接跳轉(zhuǎn)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(dá)74880個邏輯單元。工作時鐘為50MHz。FPGA開發(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(shè)計輸入方式是硬件描述語言輸入，根據(jù)A/D和串口的工作原理，采用Verilog硬件描述語言編寫A/D和串口程序。

2.2 數(shù)據(jù)顯示、存儲模塊

　　數(shù)據(jù)顯示、存儲模塊是對串口采集的數(shù)據(jù)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AM3359的嵌入式單板機，具有豐富的接口和外設(shè)，支持Linux 3.2.0、WinCE 7及Android2.3三種操作系統(tǒng)。本設(shè)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(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

2.3 供電模塊

　　為了滿足便攜式儀表便攜、輕便，運行方便快捷的要求，本設(shè)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(jié)實耐用、安全性好等特點，選用Yuasa標(biāo)準(zhǔn)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)過測試整個系統(tǒng)消耗的電流不到2A，電池滿足功率方面要求^[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件采用Labview平臺開發(fā)，該平臺具有獨特的模塊化多循環(huán)應(yīng)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(yīng)用程序的靈活性、可靠性、可維護(hù)性、可擴展性和穩(wěn)定性。應(yīng)用程序框架的靈活性，可以通過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(yīng)用于每個任務(wù)來優(yōu)化。并行循環(huán)提供同時執(zhí)行多個任務(wù)的靈活性。Labview為每一個并行循環(huán)分配一個單獨的線程，而每個線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)的延遲和定時循環(huán)的優(yōu)先權(quán)來指定和調(diào)整每個任務(wù)的有限級。因此，基于多個并行循環(huán)的應(yīng)用程序框架有助于優(yōu)化應(yīng)用程序的性能。軟件按功能分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和錯誤處理模塊。軟件框圖如圖7所示。

　　數(shù)據(jù)采集線程實現(xiàn)的串口通訊，通訊方式、通訊參數(shù)、通訊協(xié)議在配置文件中進(jìn)行自動配置，軟件采用應(yīng)答模式定時進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，然后對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，再把解析后的原始數(shù)據(jù)通過隊列發(fā)送給數(shù)據(jù)處理線程和數(shù)據(jù)存儲線程。

　　數(shù)據(jù)處理線程實時處理數(shù)據(jù)采集線程采集的測試數(shù)據(jù)，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。該線程的運行周期由采集線程運行決定，為被動等待方式。

　　數(shù)據(jù)存儲線程和數(shù)據(jù)處理線程類似，該線程實時存儲數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)和各種處理后的數(shù)據(jù)，方便用戶事后查詢歷史數(shù)據(jù)，檢驗數(shù)據(jù)解析方式的功能和性能。

　　錯誤處理線程實時監(jiān)測其他線程的狀態(tài)，把錯誤類型分為不同等級：警告、一般、嚴(yán)重。當(dāng)其他線程運行過程中發(fā)生錯誤，該線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(jù)錯誤出處進(jìn)行劃分，采集線程中的錯誤，則立即停止采樣，記錄錯誤信息，退出軟件，其他線程中的錯誤，作警告錯誤處理。若為嚴(yán)重錯誤，處理方式與采集線程一般錯誤一致^[5]。

4 測試系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 測試系統(tǒng)硬件實物

　　測試系統(tǒng)硬件實物如圖8所示。測試系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)的測試實驗

　　通過標(biāo)準(zhǔn)儀表萬用表和靜態(tài)測試儀分別對伺服機構(gòu)產(chǎn)品的一路油面電壓和充氣壓力進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)論

　　本文介紹用于伺服機構(gòu)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(shè)計，基于AM3359的嵌入式單板機硬件開發(fā)平臺，軟件采用Labview平臺開發(fā)，使用軍用便攜式機箱，實現(xiàn)了測試設(shè)備的小型化，便于設(shè)備的修改、維護(hù)和擴展，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，滿足伺服機構(gòu)的生產(chǎn)、試驗、外場測試的需要。實際試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的伺服機構(gòu)油氣壓測試設(shè)備滿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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本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第65頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。