李增科 ，李云鵬*，雷軍剛，席東學，楊金祿，孫永進，陳金強

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所空間載荷工程中心 ，蘭州 730000； 2.中國空間技術(shù)研究院載人總體部，北京 100094； 3.中科院空間工程與應(yīng)用中心,北京 100094)

0 引言

空間站微重力環(huán)境作為探索空間領(lǐng)域?qū)氋F資源，對生物技術(shù)、材料科學、基礎(chǔ)物理研究等空間科學實驗提供重要的測試平臺。對于微重力加速計評估和測量是試驗環(huán)境方面的參考依據(jù)[1]。空間微重力測量儀作為空間站試驗艙內(nèi)微重力水平和測量設(shè)備主要由在軌測量控制設(shè)備與地面數(shù)據(jù)處理軟件兩部分構(gòu)成。測量控制設(shè)備主要功能實現(xiàn)石英撓性加速度計傳感器檢測與電流-電壓信號轉(zhuǎn)化、濾波，三坐標信號的數(shù)據(jù)同步采集、處理和通訊功能；地面數(shù)據(jù)處理軟件完成對數(shù)據(jù)的解析、依據(jù)標定參數(shù)對數(shù)據(jù)進行處理，分析滿足測量要求下所表征的實際加速度度值的物理含義。

1 原理及測量儀組成結(jié)構(gòu)

石英撓性加速度計是基于擺式加速度計理論的基礎(chǔ)上研制的新型加速度計。應(yīng)用在慣性導航和慣性制導系統(tǒng)等領(lǐng)域主要選擇類型。其具有靈敏度高，動態(tài)響應(yīng)快寬頻，噪聲低等特點，對于靜態(tài)或動態(tài)加速度測量方面適用性顯著。

微重力測量儀通過加速度計輸出電流檢測該空間所處的微重力加速度[2]。石英撓性加速度計原理圖見圖1，空間實驗室微重力測量儀系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。

微重力測量儀主要由檢測與濾波電路、多通道同步模數(shù)變換電路、總線接口及控制。主控信號/通訊處理器、FPGA電路及外部總線接口電路構(gòu)成見圖2所示。且圖中虛框簡稱數(shù)據(jù)傳輸單元。

圖1 石英撓性加速度計原理圖

圖2 空間實驗室微重力測量儀系統(tǒng)構(gòu)成圖

測量原理：通過傳感器獲得四路/三坐標加速度電流信號[3]，通過檢測與濾波處理、模數(shù)轉(zhuǎn)化后再經(jīng)過主控信號處理后，內(nèi)部數(shù)據(jù)通過兩DSP之間的SPI通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)PGA的指令控制經(jīng)接口電路與外部總線進行通訊。

2 測量儀系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 檢測調(diào)理電路設(shè)計

加速度輸出信號，通過以O(shè)P07運算放大器為核心器件構(gòu)成檢測調(diào)理電路設(shè)計，完成I-V電路轉(zhuǎn)換。前端輸入限流、差分限幅保護、輸出電壓與反饋電阻的匹配性設(shè)計等[4]。電路原理見圖3所示。

圖3 信號檢測與調(diào)理電路

在實際電路設(shè)計中根據(jù)電壓輸出的要求可選擇不同的反饋電阻RF值。

2.2 濾波器設(shè)計

模擬濾波器滿足設(shè)計所需的幅頻特性同時，避免信號受到外界干擾的影響因素，增加抗混疊設(shè)計；同時從工程應(yīng)用考慮，對整機測量動態(tài)范圍、被濾除高頻信號幅度大小和加速度計對高頻信號衰減等因素綜合。滿足動態(tài)范圍大于72dB要求可達到實際需求。模擬濾波器采用3階巴特沃茲低通濾波器，截止頻率約為500Hz，原理及參數(shù)設(shè)置如圖4所示，其頻譜響應(yīng)如圖5所示。

圖4 三階Butterworth低通濾波器電路原理圖

圖5 三階Butterworth低通濾波器幅頻特性

經(jīng)實驗驗證可得：模擬濾波器通帶內(nèi)衰減幅度為18dB/oct，過采樣速率設(shè)定為2kHz(4倍過采樣)，則鏡頻頻率為1kHz，對應(yīng)300Hz處鏡頻頻率為1.7kHz處衰減幅度為-32dB，因此3階低通濾波器噪聲為-32dB。

2.3 電平轉(zhuǎn)換及模數(shù)轉(zhuǎn)換時序電路

由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD976數(shù)字接口電平為5V，而DSP SMJ320VC33接口電平為3.3V，因此需要在AD976和SMJ320VC33之間加電平轉(zhuǎn)換器件。在實際應(yīng)用中采用UT54ACS164245器件完成電平轉(zhuǎn)換功能。且與DSP連接之間某些引腳增加接口電路，其目的是提高電路適應(yīng)性，增加系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性和安全性。

空間實驗室微重力測量儀實現(xiàn)4路微重力信號的同步采集。采用AD976完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和同步采集功能。AD976轉(zhuǎn)換時序、邏輯圖6如所示。

圖6 AD976控制轉(zhuǎn)換時序圖

2.4 通訊總線

空間微重力測量儀設(shè)備通訊有兩種方式：內(nèi)部雙DSP與FPGA之間采用SPI通信，完成數(shù)據(jù)的之間傳輸、執(zhí)行雙向任務(wù)功能等；另一種采用1394總線協(xié)議通訊方式與外接口聯(lián)系。

微重力測量儀的數(shù)字信號處理器模塊與數(shù)據(jù)傳輸單元間采用4線制SPI協(xié)議進行通訊，考慮到及時接收1394總線指令的需要，數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)置為主節(jié)點，數(shù)字信號處理器模塊設(shè)置為從節(jié)點。數(shù)字信號處理器模塊選用的SMJ320VC33型DSP具有1個全雙工串行口，因SPI通訊接口采用DSP串口直接實現(xiàn)，無需設(shè)計專門的接口電路。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?shù)字信號處理器模塊與數(shù)據(jù)傳輸單元間的信號傳輸采用RS422電平，采用總線驅(qū)動器和總線接收器實現(xiàn)內(nèi)部通訊。

數(shù)據(jù)傳輸單元主要功能是422電平信號與外界1394總線之間轉(zhuǎn)換的通訊電路板。數(shù)據(jù)傳輸單元組成結(jié)構(gòu)見圖7所示。單元組成主要包括SRAM電路、復位電路、FPGA電路、邏輯接口電路和1394總線接口電路等(見圖1所示)。FPGA芯片主要完成數(shù)據(jù)封裝、轉(zhuǎn)發(fā)及部分控制功能，DSP芯片SMJ320F2812負責數(shù)據(jù)傳輸單元的運控管理和1394鏈路管理。FPGA主要負責接口時序調(diào)整，將外部總線接口時序調(diào)整為符合DSP外部接口的時序。DSP通過FPGA提供的接口對1394芯片進行寄存器配置和數(shù)據(jù)收發(fā)[5,6]。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸單元組成結(jié)構(gòu)

2.5 軟件設(shè)計思路

該系統(tǒng)測量儀軟件主要由主數(shù)據(jù)采集和處理(總線信號處理器)、測量儀數(shù)據(jù)傳輸單元主控軟件和數(shù)據(jù)傳輸接口處理邏輯軟件(FPGA)。分別用于數(shù)據(jù)采集、通訊控制以及1394通訊模塊邏輯接口電路和SPI通訊接口電路的實現(xiàn)。

完成主要功能包括如下：

1)數(shù)據(jù)采集軟件：初始化功能、數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)字濾波功能、統(tǒng)計、校時和模式切換、數(shù)據(jù)輸出功能等；

2)數(shù)據(jù)傳輸單元主控軟件：數(shù)據(jù)傳輸單元接口處理邏輯與平臺系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸單元接口處理邏輯與微重力測量儀的數(shù)據(jù)通信進行控制和管理，實現(xiàn)對平臺指令的處理、時間碼的管理以及SPI指令的處理等；

3)數(shù)據(jù)傳輸接口處理邏輯軟件(FPGA)：建立子系統(tǒng)與平臺系統(tǒng)之間的橋梁，平臺系統(tǒng)外部通信接口、SPI內(nèi)部通訊接口以及與數(shù)據(jù)傳輸單元主控軟件配置項的XINTF接口，1394鏈路芯片接口時序轉(zhuǎn)換[7-9]。軟件系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示。

4)為實現(xiàn)軟件的實際利用率，對軟件架構(gòu)進行優(yōu)化的同時，在算法上通過不同專用軟件進行分析比對，避免循環(huán)體內(nèi)函數(shù)的多次跳轉(zhuǎn)、預(yù)分配內(nèi)存和指令優(yōu)化等同時通過仿真軟件與自行研制開發(fā)地檢軟件進行靜態(tài)或動態(tài)運行狀態(tài)進行監(jiān)測分析，通過多輪用例測試及計算，將處理器余裕量比常規(guī)設(shè)計和測試提高到20%以上。提高了軟件運行環(huán)境的可靠性。

圖8 微重力測量軟件系統(tǒng)構(gòu)成圖

3 測量數(shù)據(jù)及分析結(jié)果

空間實驗室(空間站)中自發(fā)射后運行在距地面約300Km近地軌道。在距載人飛船與其對接前對其微重力環(huán)境進行測量(時間為2016年10月15日)且正開液橋展熱毛細對流實驗階段。

(1)地面測試情況

空間實驗室(空間站)地面穩(wěn)定工況下微重力水平見表1所示。

表1 空間實驗室(空間站)地面穩(wěn)定工況下微重力水平

圖9為地面測試期間測量數(shù)據(jù)結(jié)果圖形。左圖(a)為大量程時數(shù)據(jù)測量結(jié)果，右圖(b)為小量程數(shù)據(jù)測量結(jié)果。

(a) 大量程數(shù)據(jù)測量結(jié)果 (b) 小量程數(shù)據(jù)測量結(jié)果

(2)在軌測試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果

圖10為在軌測試期間測量數(shù)據(jù)結(jié)果圖形。左圖(a)為大量程數(shù)據(jù)測量結(jié)果，右圖(b)為小量程數(shù)據(jù)測量結(jié)果。

對某飛船與空間站對接前相對穩(wěn)定工況下微重力數(shù)據(jù)進行解算，得到各軸微重力測量值，如表2所示：

在軌數(shù)據(jù)測量曲線圖見圖10所示。

分析結(jié)果表明：X1通道地面測量與在軌測量數(shù)據(jù)比較：平均值偏差絕對值：0.034 mg0， X2通道地面測量與在軌測量數(shù)據(jù)比較均值偏差絕對值：0.11 mg0；不確定性均不超過0.2;標差值相對誤差0.027mg0數(shù)量級。除Y軸在地面處于飽和狀態(tài)外，其余三軸的標準差結(jié)果一致性良好。該數(shù)據(jù)測量來源于2016年10月15日在軌測量數(shù)據(jù)。

表2 空間實驗室(空間站)在軌穩(wěn)定工況下微重力水平

(a) 大量程數(shù)據(jù)測量結(jié)果0 (b) 小量程數(shù)據(jù)測量結(jié)果

4 結(jié)論

對于微重力測量儀設(shè)備以石英撓性加速度計為傳感器測量微弱信號測量系統(tǒng)。成功實現(xiàn)了工程應(yīng)用價值和科學數(shù)據(jù)分析和評估的研究意義。工程參數(shù)反映了測量的技術(shù)水平。對于小量程(-10～+10)mg0范圍時，分辨率≤5.4ug0測量水平；大量程(-150～+150)mg0范圍時，分辨率≤75ug0，且頻率帶寬在0.09～300Hz帶寬內(nèi)可精確微重力水平檢測。不確定性小于0.2，外部接口通信傳輸速率可達100Mbps。將原有傳輸速度由0.3Mb/s提高到目前100Mb/s實時數(shù)據(jù)傳輸，大幅度解決了采集系統(tǒng)采樣速度快，對外部接口數(shù)據(jù)傳輸慢的技術(shù)難題，且同時對軟件進行優(yōu)化設(shè)計，增加處理器余裕量比常規(guī)軟件運行占用量提高20%，滿足航天產(chǎn)品的高可靠性特點。且具有測量精確高。動態(tài)響應(yīng)快，數(shù)據(jù)處理能力強測量ug0級精密測量儀器設(shè)備。對微小信號測量系統(tǒng)領(lǐng)域中提供了借鑒意義。對其他測量技術(shù)的研發(fā)提供了新思路。既提升拓展了我國航天領(lǐng)域中空間微重力測量能力和應(yīng)用。又為未來深空探測能力進一步提高提供有力的支撐。