無線氣囊溫壓傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0   引言

飛行器氣囊內(nèi)部置有爆炸性藥體，藥體引燃后會(huì)迅速產(chǎn)生大量氣體，氣體膨脹使氣囊展開[1]。氣囊使用柔性材料[2]制成，內(nèi)部氣體膨脹過程中溫度和壓力急劇上升，監(jiān)測(cè)氣體的溫度和壓力，可為氣囊設(shè)計(jì)、性能分析、安全性監(jiān)測(cè)提供依據(jù)[3-5]。

國(guó)外普遍采取在氣囊內(nèi)部埋設(shè)傳感器的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣囊內(nèi)部氣體溫度和壓力的測(cè)量。本設(shè)計(jì)提出一種氣囊溫度和壓力測(cè)量系統(tǒng)，由傳感器、發(fā)送器和接收器組成，其中傳感器和發(fā)送器布置在氣囊內(nèi)部，可感應(yīng)氣囊內(nèi)部氣體的溫度和壓力，并將測(cè)量數(shù)據(jù)無線輸出[6]。接收器布置在氣囊外部，可通過無線方式控制發(fā)送器工作，并接收測(cè)試數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的傳感器和發(fā)送器采取微型化設(shè)計(jì)[7]，可以塑封在氣囊柔性材料中而不影響氣囊展開，在氣囊工作過程中可對(duì)內(nèi)部氣體的溫度和壓力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，為掌握氣囊內(nèi)部狀態(tài)、改進(jìn)氣囊裝置設(shè)計(jì)提供測(cè)試依據(jù)，具有重要的研制意義。

圖1 氣囊溫壓傳感系統(tǒng)組成框圖

1   系統(tǒng)組成

氣囊溫壓傳感系統(tǒng)包括傳感器、發(fā)送器和接收器，傳感器由溫度傳感器和壓力傳感器組成，分別用于測(cè)量溫度和壓力。發(fā)送器可采集傳感器信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算處理后無線發(fā)送數(shù)據(jù)，并且可以接收、響應(yīng)外部接收器發(fā)出的控制指令。接收器布置在氣囊外部，可以接收發(fā)送器輸出的測(cè)試數(shù)據(jù)，完成測(cè)量。系統(tǒng)框圖如圖1所示，各部分的組成及功能如表1所示。

表1 系統(tǒng)各模塊功能匯總表

2   溫度測(cè)量

氣囊溫度傳感器選擇鉑電阻式^[8-9]測(cè)量原理，布置在氣囊內(nèi)部，采取小體積、輕量化設(shè)計(jì)。溫度傳感器的最高標(biāo)定溫度為200℃，測(cè)量總精度為±0.5℃。

溫度傳感器由外殼、電纜、電連接器組成，敏感元件為Pt100鉑電阻^[10]。傳感器的外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 溫度傳感器外形圖（單位mm）

3   壓力測(cè)量

壓力傳感器用于測(cè)量氣囊內(nèi)部氣體靜態(tài)壓力，量程為500kPa。選擇硅壓阻式測(cè)量原理[11-13]，最高工作溫度可達(dá)250℃。

該硅壓阻式壓力傳感器的敏感元件由硅材料制成，其有效感壓面積直徑只有2mm。通過向硅片中擴(kuò)散入雜質(zhì)形成四個(gè)臂的惠斯通電橋，電橋?qū)毫π盘?hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。傳感器的敏感元件裝在帶有微型螺紋的外殼中，直徑僅為5mm。通過改變常規(guī)的平面硅膜片形式，采用一種特殊形狀的硅膜片，可以承受250℃高溫，同時(shí)在外殼中還封裝有電橋平衡元件和溫度補(bǔ)償元件，在微小空間里實(shí)現(xiàn)了傳感器的溫度補(bǔ)償。傳感器的外形如圖3所示。

圖3 壓力傳感器外形圖

4   發(fā)送器設(shè)計(jì)

4.1   供電設(shè)計(jì)

發(fā)送器布置在氣囊內(nèi)部，可與外部設(shè)備無線通信，需要自帶電源。發(fā)送器供電選用3.3V輸出的微型鋰電池，外形尺寸不大于φ30mm、厚度不大于5mm，電池容量不小于450mAh。發(fā)送器采用低功耗設(shè)計(jì)，不工作情況下為待機(jī)模式，功耗為微安級(jí)；當(dāng)接收到啟動(dòng)信號(hào)后，進(jìn)入工作模式，采集狀態(tài)下功耗不大于20mA；當(dāng)向外發(fā)射電磁信號(hào)時(shí)，功耗最大，峰值不超過100mA。以最大功耗持續(xù)工作狀態(tài)計(jì)算，400mAh鋰電池[^14]可保證系統(tǒng)連續(xù)工作4h。

圖4 信號(hào)放大鏈路圖

4.2 信號(hào)放大

選用高精度、低噪聲的儀表放大器LTC2053，通過設(shè)置增益將傳感器輸出的毫伏級(jí)電壓信號(hào)放大至AD采集模塊輸入電壓范圍內(nèi)。其中溫度傳感器輸出曲線為非線性，在放大電路中加入反饋電阻，可對(duì)輸出曲線進(jìn)行初步非線性修正。

4.3信號(hào)采集

圖5 信號(hào)采集鏈路圖

信號(hào)采集模塊選用16位AD轉(zhuǎn)換器AD7705，以達(dá)到較高信號(hào)分辨率。該AD轉(zhuǎn)換器最高采樣速率為達(dá)到10MIPS，可在氣囊快速展開過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)性測(cè)量。該AD轉(zhuǎn)換器最大功耗不到1mW，待機(jī)電流不到8μA，為微功耗器件，可使用鋰電池長(zhǎng)時(shí)間可靠工作。AD7705具有高速SPI接口，可快速向核心處理器傳輸數(shù)據(jù)。溫度傳感器和壓力傳感器輸出的模擬電壓經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量送入核心處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖6 數(shù)據(jù)處理鏈路圖

4.4線性化處理

選擇STM32單片機(jī)作為核心處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字量信號(hào)的線性化處理。該單片機(jī)最高工作頻率為72MHz，具有多級(jí)流水?dāng)?shù)據(jù)處理機(jī)制和單周期硬件乘法器，可快速運(yùn)算、處理數(shù)據(jù)。該單片機(jī)內(nèi)部集成512KB的Flash存儲(chǔ)器和64KB的 SRAM存儲(chǔ)器，可為程序代碼和運(yùn)算數(shù)據(jù)提供充足的存儲(chǔ)空間。STM32單片機(jī)為3.3V系統(tǒng)并且具有低功耗模式，可使用鋰電池長(zhǎng)時(shí)間可靠工作。使用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)裝置對(duì)溫度傳感器和壓力傳感器進(jìn)行輸出校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與采集到的數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，以得到曲線修正系數(shù)。單片機(jī)將修正系數(shù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并且隨時(shí)調(diào)用并參與運(yùn)算。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用非易失性EPROM存儲(chǔ)器，可與核心處理器通過I2C總線通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。

4.5編碼組幀

經(jīng)過線性修正的數(shù)字量信號(hào)需要進(jìn)行編碼組幀，以一定的幀格式輸出，以提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

數(shù)據(jù)以一定的波特率傳輸，波特率不可太低因?yàn)闀?huì)影響數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)波特率也不可太高因?yàn)槿菀自斐蓚鬏敵鲥e(cuò)，波特率選擇9600bps。數(shù)據(jù)按照字節(jié)進(jìn)行編碼，每個(gè)字節(jié)為10位，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)編碼格式表

數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后需要進(jìn)行組幀，組幀采取表3格式，以提高多組數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送過程中的可靠性。數(shù)據(jù)幀傳輸過程中，幀內(nèi)各字節(jié)間連續(xù)發(fā)送，無時(shí)間間隔。

表3 數(shù)據(jù)幀格式表

4.6數(shù)據(jù)傳輸

本測(cè)試系統(tǒng)的通信距離較短，而且產(chǎn)品尺寸受限，選擇FSK調(diào)制方式[15-17]可以極大減小系統(tǒng)體積，并且可以滿足通信要求。

圖7 FSK調(diào)制波形圖

數(shù)字信號(hào)經(jīng)過FSK調(diào)制后轉(zhuǎn)變?yōu)槟M波形，為了滿足傳輸距離要求需要對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行功率放大。常用的集成化信號(hào)調(diào)制解調(diào)模塊可以直接輸入數(shù)字量信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行FSK調(diào)制和解調(diào)，但是輸出功率較小，通常不超過16dBm（約40mW），需要進(jìn)行功率放大。信號(hào)功率放大可使用高頻功率放大器進(jìn)行信號(hào)放大。功率放大電路的基本框圖如圖8所示。

圖8 功率放大電路的基本框圖

4.7無線發(fā)送

貼片振子天線具有體積小、重量輕、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，為了滿足微型化設(shè)計(jì)要求，發(fā)送器和接收器的天線采用貼片振子天線^[18]。貼片振子天線的水平面波束寬度、波束偏斜及方向圖一致性決定了覆蓋區(qū)方位向的性能好壞。每個(gè)扇區(qū)天線在最大輻射方向偏離±60o時(shí)到達(dá)覆蓋邊緣，需要切換到相鄰扇區(qū)工作。在±60o的切換角域，方向圖電平應(yīng)該有一個(gè)合理的下降。電平下降太多時(shí)，在切換角域附近容易引起覆蓋盲區(qū)掉線；電平下降太少時(shí)，在切換角域附近覆蓋產(chǎn)生重疊，導(dǎo)致相鄰扇區(qū)干擾增加。設(shè)計(jì)中使用的貼片振子天線仿真模型如下圖9所示，可以看出該天線可滿足±60o覆蓋區(qū)要求。

圖9 天線仿真結(jié)果

5   接收器設(shè)計(jì)

5.1 FSK解調(diào)

接收器與發(fā)送器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，按照對(duì)應(yīng)的FSK調(diào)制解調(diào)方式實(shí)現(xiàn)通信對(duì)接。

FSK信號(hào)調(diào)制即頻率鍵控是利用數(shù)字基帶信號(hào)控制載波的頻率來傳輸信息的一種調(diào)制方式。FSK信號(hào)在一個(gè)碼元周期內(nèi)的波形表達(dá)式如公式1所示，可用頻率f1的載波來傳輸“1”碼，用頻率為f2的載波來傳輸“0”碼。

（1）

因此FSK調(diào)制可用雙振蕩器f1和f2產(chǎn)生，F(xiàn)SK信號(hào)的解調(diào)方式有非相干解調(diào)，如圖10所示。FSK的非相干解調(diào)系統(tǒng)[19-20]，由兩個(gè)帶寬相同的帶通濾波器對(duì)f1和f2起到分路作用，用以分開兩路形成兩路ASK信號(hào)，上支路信號(hào)為f1函數(shù)，下支路信號(hào)為f2函數(shù)，經(jīng)包絡(luò)檢測(cè)后分別取出它們的包絡(luò)。將兩路濾波后的包絡(luò)信號(hào)相減，再經(jīng)過抽樣判決，根據(jù)調(diào)制規(guī)則，當(dāng)判決值大于等于0時(shí)，判決為1，否則判決為0。

圖10 FSK非相干解調(diào)系統(tǒng)

5.2與上位機(jī)通信

接收器位于飛行器氣囊外部可與上位機(jī)進(jìn)行有線對(duì)接，使用RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖11 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)圖

6   試驗(yàn)測(cè)試

如圖11所示把溫度傳感器和壓力傳感器放置于保溫箱內(nèi)部，保溫箱可以設(shè)置溫度。試驗(yàn)過程中使用精度等級(jí)為±0.2℃的標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器監(jiān)測(cè)保溫箱溫度。保溫箱外部的加壓設(shè)備可以給壓力傳感器提供工作壓力。加壓設(shè)備的精度等級(jí)為0.05%FS，量程為5MPa。發(fā)送器放置在保溫箱外部，與傳感器有線連接。接收器與發(fā)送器保持2m距離，與上位機(jī)電腦通過串口連接。

試驗(yàn)過程中，從-20℃到+60℃每隔20℃設(shè)置一個(gè)溫度點(diǎn)，在每個(gè)溫度點(diǎn)保溫30min，以保證傳感器溫度穩(wěn)定。在每個(gè)溫度下使用溫度傳感器測(cè)試溫度，通過加壓設(shè)備給壓力傳感器施加一個(gè)進(jìn)程和回程壓力，經(jīng)發(fā)送器和接收器傳輸后，在上位機(jī)電腦上通過軟件讀取測(cè)試數(shù)據(jù)。溫度和壓力測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。經(jīng)計(jì)算，溫度傳感器的準(zhǔn)確度達(dá)到了±0.5℃。壓力傳感器的非線性小于0.2%FS，全溫度區(qū)間范圍內(nèi)溫漂系數(shù)小于0.05%FS/℃。溫度和壓力測(cè)試技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了較高水平，測(cè)試效果良好。

表4 溫度壓力測(cè)試數(shù)據(jù)表

7   結(jié)束語

無線氣囊溫壓傳感系統(tǒng)可以布置埋入氣囊內(nèi)部，在不影響氣囊展開的前提下對(duì)氣囊內(nèi)部氣體的溫度和壓力進(jìn)行測(cè)量，可通過外部設(shè)備無線接收數(shù)據(jù)，并將測(cè)量結(jié)果上傳至上位機(jī)。通過搭建的試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，在-20℃到+60℃溫度區(qū)間內(nèi)，經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)溫度測(cè)量精度達(dá)到±0.5℃，壓力測(cè)量總精度小于0.2%FS，測(cè)試效果良好。

將該系統(tǒng)布置于氣囊內(nèi)部，可監(jiān)測(cè)氣囊展開過程中內(nèi)部氣體狀態(tài)，對(duì)研究氣囊展開過程、監(jiān)測(cè)氣囊工作狀態(tài)、改進(jìn)氣囊性能具有重要意義。

（注：本文來源于電子產(chǎn)品世界2020年11月期）