便攜式伺服機(jī)構(gòu)靜態(tài)測(cè)試儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jí)伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)品油面電壓及充氣壓力的靜態(tài)測(cè)試，設(shè)計(jì)了一套便攜式伺服機(jī)構(gòu)靜態(tài)檢測(cè)儀。系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)模塊和供電模塊，采用FPGA+A/D芯片的方案對(duì)高速數(shù)據(jù)采集處理和控制，基于AM3359的嵌入式單板機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)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(chǔ)模塊和錯(cuò)誤處理模塊。系統(tǒng)具有測(cè)量精度高，實(shí)時(shí)性好，操作簡(jiǎn)單和便攜等優(yōu)點(diǎn)，滿足伺服機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)、試驗(yàn)、外場(chǎng)測(cè)試的需要。

引言

　　伺服機(jī)構(gòu)是運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，伺服機(jī)構(gòu)控制噴管的擺角或二次噴射閥門的開(kāi)度，改變發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰的排出方向，實(shí)現(xiàn)火箭飛行姿態(tài)控制。為了確保被測(cè)伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)品工作可靠性，需要定期對(duì)伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試。伺服機(jī)構(gòu)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，伺服機(jī)構(gòu)體積較大，數(shù)量較多，占地比較分散，數(shù)據(jù)測(cè)試頻率較高，傳統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，采用PC機(jī)+機(jī)柜的方案，雖然測(cè)試功能比較豐富，可以測(cè)試伺服機(jī)構(gòu)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)，測(cè)量精度更高，但其體積龐大，攜帶不方便，測(cè)試效率比較低。

　　本論文設(shè)計(jì)的伺服機(jī)構(gòu)靜態(tài)測(cè)試儀(以下簡(jiǎn)稱靜態(tài)測(cè)試儀)用于伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的靜態(tài)檢測(cè)，信號(hào)的采集、調(diào)理基于自制板卡實(shí)現(xiàn)，存儲(chǔ)和顯示等功能基于嵌入式單板機(jī)實(shí)現(xiàn)，不需要獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，因此使得檢測(cè)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(jī)構(gòu)和靜態(tài)測(cè)試儀通過(guò)電纜連接，可以同時(shí)測(cè)量伺服機(jī)構(gòu)所有靜態(tài)參數(shù)，大大提高了靜態(tài)測(cè)試的效率。文章詳細(xì)介紹了油氣壓檢測(cè)儀的組成、工作原理及軟硬件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)工作原理

　　伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的靜態(tài)檢測(cè)主要是指在產(chǎn)品不工作的狀態(tài)下對(duì)多通道油面電壓和充氣壓力等靜態(tài)參數(shù)的檢測(cè)。伺服機(jī)構(gòu)的油面電壓通過(guò)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(guò)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(cè)試儀需提供±15V和+6V電壓給伺服機(jī)構(gòu)，伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)部原理圖如圖1所示。

　　靜態(tài)測(cè)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(gè)獨(dú)立的機(jī)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(chǔ)模塊和供電模塊。數(shù)據(jù)采集模塊以FPGA為核心，對(duì)采集信號(hào)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(chǔ)模塊;數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)采用AM3359的嵌入式單板機(jī)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(gè)部分，一部分為靜態(tài)測(cè)試儀系統(tǒng)供電，一部分為伺服機(jī)構(gòu)供電。測(cè)試軟件采用Labview2011平臺(tái)編寫(xiě)程序，模塊化設(shè)計(jì)，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(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)的調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和串口通訊。鑒于FPGA功能強(qiáng)大、邏輯速度快、集成度高、電路設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)通過(guò)串口送到數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)模塊，保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)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(diǎn)，需要對(duì)產(chǎn)品信號(hào)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(hào)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(hào)、最大采集速度為250kS/s的A/D轉(zhuǎn)換芯片。

　　本設(shè)計(jì)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(gè)ADC，分別由CONVSTA、B、C引腳控制轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換開(kāi)始。在CONVSTx信號(hào)的上升沿后，BUSY信號(hào)會(huì)置1，這表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。轉(zhuǎn)換時(shí)鐘是由內(nèi)部產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)換時(shí)間是從CONVSTx信號(hào)上升沿開(kāi)始的3μs，當(dāng)BUSY信號(hào)變成低電平，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。在BUSY信號(hào)的下降沿，跟蹤保持電路返回跟蹤模式，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流^[2]。

　　(3)串口功能的實(shí)現(xiàn)主要有三個(gè)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(shí)際是一個(gè)分頻器，從定系統(tǒng)時(shí)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(lái)講，為了提高系統(tǒng)的容錯(cuò)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(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(jì)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(hào)頻率應(yīng)該為9600×16=153.6k/s，由于系統(tǒng)時(shí)鐘為50MHz，經(jīng)過(guò)計(jì)算，需要325分頻實(shí)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(shí)鐘信號(hào)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(shù)據(jù)格式嚴(yán)格按照串口數(shù)據(jù)幀來(lái)完成：首先是起始位，其次是8個(gè)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(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(dāng)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(dāng)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(hào)，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(hào)值不變。當(dāng)發(fā)送模塊處于這一狀態(tài)時(shí)，等待計(jì)滿16個(gè)clk后，判斷8個(gè)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(gè)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(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)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(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(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(hào)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(hào)和有效數(shù)據(jù)，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(hào)的頻率為9600Hz的16倍，則對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)都會(huì)有16個(gè)樣值，最終采樣比特值為出現(xiàn)次數(shù)超過(guò)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(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(tǒng)復(fù)位后，接收模塊就處于這一狀態(tài)，一直檢測(cè)接收指令rxd是否從1跳變?yōu)?，一個(gè)起始位代表著新的一幀數(shù)據(jù)。一旦檢測(cè)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(duì)每16個(gè)采樣值進(jìn)行最大似然判決，得到相應(yīng)的邏輯值，這一過(guò)程重復(fù)8次。然后依次完成串并轉(zhuǎn)換，直到接收完8個(gè)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(cè)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(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(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(shè)計(jì)輸入方式是硬件描述語(yǔ)言輸入，根據(jù)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(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)模塊

　　數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)模塊是對(duì)串口采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，采用SBC8600B作為硬件平臺(tái)。SBC8600B是英蓓特公司推出的一款基于AM3359的嵌入式單板機(jī)，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(jì)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(yùn)行方便快捷的要求，本設(shè)計(jì)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(shí)耐用、安全性好等特點(diǎn)，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(guò)測(cè)試整個(gè)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(jì)

　　軟件采用Labview平臺(tái)開(kāi)發(fā)，該平臺(tái)具有獨(dú)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(kuò)展性和穩(wěn)定性。應(yīng)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(yīng)用于每個(gè)任務(wù)來(lái)優(yōu)化。并行循環(huán)提供同時(shí)執(zhí)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(dú)的線程，而每個(gè)線程可以運(yùn)行在單獨(dú)的并行處理機(jī)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(quán)來(lái)指定和調(diào)整每個(gè)任務(wù)的有限級(jí)。因此，基于多個(gè)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(chǔ)模塊和錯(cuò)誤處理模塊。軟件框圖如圖7所示。

　　數(shù)據(jù)采集線程實(shí)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(dòng)配置，軟件采用應(yīng)答模式定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，然后對(duì)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(guò)隊(duì)列發(fā)送給數(shù)據(jù)處理線程和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程。

　　數(shù)據(jù)處理線程實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)采集線程采集的測(cè)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(duì)等各種處理方式。該線程的運(yùn)行周期由采集線程運(yùn)行決定，為被動(dòng)等待方式。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程和數(shù)據(jù)處理線程類似，該線程實(shí)時(shí)存儲(chǔ)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(yàn)數(shù)據(jù)解析方式的功能和性能。

　　錯(cuò)誤處理線程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其他線程的狀態(tài)，把錯(cuò)誤類型分為不同等級(jí)：警告、一般、嚴(yán)重。當(dāng)其他線程運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，該線程首先識(shí)別該錯(cuò)誤的等級(jí)，然后按照等級(jí)程度處理錯(cuò)誤。若為警告錯(cuò)誤，則記錄該警告的識(shí)別碼、描述等信息，不作處理，若為一般錯(cuò)誤，則根據(jù)錯(cuò)誤出處進(jìn)行劃分，采集線程中的錯(cuò)誤，則立即停止采樣，記錄錯(cuò)誤信息，退出軟件，其他線程中的錯(cuò)誤，作警告錯(cuò)誤處理。若為嚴(yán)重錯(cuò)誤，處理方式與采集線程一般錯(cuò)誤一致^[5]。

4 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 測(cè)試系統(tǒng)硬件實(shí)物

　　測(cè)試系統(tǒng)硬件實(shí)物如圖8所示。測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)箱采用派力肯公司的型號(hào)為1400的軍用便攜式機(jī)箱，具有抗震、防爆和密封等特性，機(jī)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(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

　　通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)儀表萬(wàn)用表和靜態(tài)測(cè)試儀分別對(duì)伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的一路油面電壓和充氣壓力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)論

　　本文介紹用于伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)品油面電壓及充氣壓力檢測(cè)的靜態(tài)檢測(cè)儀，采用模塊化軟硬件設(shè)計(jì)，基于AM3359的嵌入式單板機(jī)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，軟件采用Labview平臺(tái)開(kāi)發(fā)，使用軍用便攜式機(jī)箱，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試設(shè)備的小型化，便于設(shè)備的修改、維護(hù)和擴(kuò)展，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，滿足伺服機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)、試驗(yàn)、外場(chǎng)測(cè)試的需要。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的伺服機(jī)構(gòu)油氣壓測(cè)試設(shè)備滿足油面電壓及充氣壓力的靜態(tài)特征測(cè)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。