張曉榮,王保成,郝 勇 ,徐文寬,秦慧嫻,2,袁明昱,2

(1. 中國科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；2. 中國科學(xué)院大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100049)

0 引言

平流層飛艇是一種輕于空氣的飛行器，主要由飛艇囊體、能源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、載荷艙構(gòu)成。工作在臨近空間，主要依靠空氣浮力實現(xiàn)駐空及可控飛行[1]。在橋梁、飛行器、船舶等大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中，應(yīng)變是能夠反映材料或結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的重要參數(shù)，應(yīng)變同樣是反應(yīng)飛艇工作狀態(tài)的重要參數(shù)[2]。飛艇蒙皮的完整是飛艇系統(tǒng)正常工作的基本保證，蒙皮材料是飛艇的核心結(jié)構(gòu)。因此對飛艇囊體應(yīng)變進(jìn)行檢測，其研究目的在于能在線監(jiān)視囊體的應(yīng)變情況。飛艇的主體結(jié)構(gòu)是充氣的球體，飛艇主囊體采用柔性二維正交各向異性的性復(fù)合材料。在正常工作狀態(tài)下的飛艇，飛艇的蒙皮受到內(nèi)外壓差的作用，會處于雙向拉伸的狀態(tài)，由于飛艇囊體厚度遠(yuǎn)小于飛艇的長度，整體結(jié)構(gòu)在受載情況下容易發(fā)生較大的變形甚至破壞，此時蒙皮的應(yīng)變情況是蒙皮是否處于健康狀態(tài)的重要指示，同時也能夠為飛艇的安全運行提供可靠數(shù)據(jù)保障[3]。目前，在對類似飛艇囊體的柔性應(yīng)變的監(jiān)測技術(shù)種類較少，且測量精度和及時性不能同時滿足，所以針對這一待解決的問題提出了基于ZYNQ的應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案以對工作狀態(tài)的飛艇囊體進(jìn)行實時監(jiān)測。

針對大型結(jié)構(gòu)應(yīng)變的測量，一般分為接觸式測量和非接觸式測量[4]，其中最傳統(tǒng)的方法是使用電測法和光纖應(yīng)變傳感器測量方法[5]，但是前者耗電，測量精度低，而且對使用環(huán)境要求高，易受電磁干擾。后者雖然可靠性高但是受溫度敏感溫度-應(yīng)變交叉敏感性影響，應(yīng)變測量靈敏度低，且不能滿足實際工程應(yīng)用環(huán)境中雙參量測量的需求[6-7]?；谝陨蠝y量方法，提出一種基于ZYNQ的應(yīng)變測量方法，該方法靈敏度、分辨率高而且能夠?qū)崿F(xiàn)實時在線測量[8]。應(yīng)用范圍可以推廣至其他大型工程結(jié)構(gòu)的健康檢測或者位移的測量中，具有良好的普適性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

根據(jù)飛艇囊體設(shè)計分析和試驗數(shù)據(jù)，囊體應(yīng)變較大的區(qū)域是最大直徑處(個別特殊應(yīng)力集中點暫不考慮)，且其環(huán)形應(yīng)變遠(yuǎn)大于軸向應(yīng)變。囊體超壓通常也是沿經(jīng)線撕裂。因此，飛艇囊體應(yīng)變監(jiān)測應(yīng)重點監(jiān)測囊體最大直徑處的環(huán)形應(yīng)變。浮空器中心研制了多個型號的飛艇，有長度從30～100 m的多個規(guī)格，且進(jìn)行了多次應(yīng)變測試試驗，根據(jù)所在中心的試驗報告可以得到，囊體最大直徑處的環(huán)形應(yīng)變不會超過0.5%，考慮囊體設(shè)計安全系數(shù)，其破裂應(yīng)變大約在1%左右。根據(jù)實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)可知整體的應(yīng)變測量裝置可以放置于經(jīng)線方向。

根據(jù)薄壁圓筒理論，傳統(tǒng)飛艇設(shè)計分析中縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力可采用近似公式：

(1)

(2)

其中：σa為縱向應(yīng)力，σr為環(huán)向應(yīng)力，p為艇囊內(nèi)外壓差。r(x)為艇囊截面曲率半徑，t為艇囊壁厚。設(shè)置厚度0.1 cm，內(nèi)壓為1 000 Pa。根據(jù)以上設(shè)置可得如圖1所示的飛艇受力云圖。根據(jù)飛艇受力應(yīng)變云圖可以看出，蒙皮受到的應(yīng)力呈環(huán)狀均勻變化，在飛艇軸向曲率最小的腹部，應(yīng)力值達(dá)到極大值，在飛艇的鼻端應(yīng)力分別達(dá)到極小值，這與實際結(jié)果也是相符合的[9]。所以在應(yīng)變測量過程中需要集中考慮囊體腹部沿經(jīng)線方向的應(yīng)變情況。之后設(shè)計的應(yīng)變測量裝置參考飛艇受力應(yīng)變云圖沿經(jīng)線方向在飛艇腹部多點粘貼。

圖1 飛艇受力應(yīng)變云圖

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，整個應(yīng)變測量裝置由兩個粘貼片粘貼在飛艇囊體上，其中CCD線陣傳感器和光源初始分別固定在囊體表面上相距一定距離位置，并且通過機械約束結(jié)構(gòu)使得光照方向時刻與線陣CCD感光面保持垂直關(guān)系。兩個粘貼片分別與光源和CCD傳感器固連。當(dāng)囊體受到拉力產(chǎn)生應(yīng)變時，兩個粘貼片的位置會隨著囊體受力而發(fā)生相對位移ΔL，此時的光源和CCD線陣傳感器的相對位置會發(fā)生變化,而其位置變化量也為ΔL。同時CCD線陣傳感器實時感知并記錄下光源相對CCD的移動，計算位移與兩個粘貼點的原始距離之間的比值即得到應(yīng)變ε=ΔL/L。

圖2 應(yīng)變測量裝置結(jié)構(gòu)圖

雖然囊體表面為弧形，需要在設(shè)計方案過程中要考慮消除曲率帶來的影響，但是通常飛艇直徑較大，而應(yīng)變傳感器尺寸較小，因此這種影響很小，在研究初期不納入考慮范圍[10]。同時由于CCD作為光電傳感器屬于積分型元器件，靈敏度高所以采用單獨光源，在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作上需要保證整體結(jié)構(gòu)密閉、避光、防塵、防射線，以保證CCD工作狀態(tài)良好，不受外界環(huán)境干擾。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

飛艇囊體的應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)主要以ZYNQ7020為主控芯片，整體包含光源系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、AD采集模塊、驅(qū)動控制模塊、FIFO數(shù)據(jù)緩存、串口傳輸模塊、SD存儲卡模塊。應(yīng)變測量裝置數(shù)據(jù)傳輸邏輯如圖3所示，首先整體系統(tǒng)復(fù)位初始化，之后由ZYNQ PL端產(chǎn)生TCD1500以及AD9238的驅(qū)動信號，在光電作用下，TCD1500將每個周期產(chǎn)生的5 340個包含光照信息的模擬電壓值的數(shù)據(jù)傳輸至AD9238中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后在模數(shù)轉(zhuǎn)換中將包含位移信息的光強信息數(shù)值化。AD9238將采集的信息傳輸至ZYNQ的PL端，PL端將接收的數(shù)據(jù)傳輸至FIFO進(jìn)行緩存，通過ZYNQ中的AXI4數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至PS端的DDR中進(jìn)行后處理，由于CCD的數(shù)據(jù)信息大且采樣速率快，這勢必占據(jù)過多的資源，而且從飛艇飛行狀態(tài)監(jiān)測來看，需要傳輸?shù)臓顟B(tài)量很多，并不需要根據(jù)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)控制或操作，所以將采用1次/s的速率將實時信息通過串口傳輸至地面計算機上。同時為了保證每次飛行數(shù)據(jù)的完整性，并且方便每次飛行后數(shù)據(jù)分析，需要保證數(shù)據(jù)真實、完整、詳細(xì)。所以將所有數(shù)據(jù)存入SD卡中。在經(jīng)過多次飛行驗證后也可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析獲得得到光照界限，將精確的光照信號二值化，轉(zhuǎn)化為0、1二值信號，使得傳輸更快捷、高效、直觀。

圖3 應(yīng)變測量裝置數(shù)據(jù)傳輸邏輯圖

本系統(tǒng)設(shè)計主要功能為在飛艇工作過程中實現(xiàn)飛艇囊體應(yīng)變的實時監(jiān)測，所以需要對選用一維線性CCD器件對位移信息進(jìn)行實時監(jiān)測,選用的CCD芯片為TOSHIBA公司的TCD1500C，包含5 340個像元，每個像元尺寸為7 μm×7 μm×7 μm，光敏區(qū)域包含高靈敏度且低暗電壓信號的二極管，并且采用DIP22的雙列直插型的封裝形式。TCD1500C的小尺寸、低暗電流、高靈敏度的響應(yīng)特點，能夠滿足飛艇囊體的應(yīng)變在線監(jiān)測的測量精度、速度和穩(wěn)定性的需求。同時由于CCD具有靈敏度高，動態(tài)范圍大、像素劃分精度高等特點，所以光源選擇亮度和光源效率更高的發(fā)光二極管[11]。

ZYNQ是Xilinx公司推出的一款可擴(kuò)展處理器平臺，性能高、功耗低，包含一個可編程邏輯(PL)和兩個Cortex-A9處理器(PS)，通過AXI協(xié)議進(jìn)行通信。在此設(shè)計中ZYNQ主要實現(xiàn)的功能為:1)TCD1500C以及AD提供驅(qū)動信號；2)采集數(shù)據(jù)并且存儲；3)對接收的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；4)將處理后的信息傳回地面計算機上以實現(xiàn)實時的監(jiān)控。本設(shè)計選用ZYNQ芯片基于以下原因：1)ZYNQ芯片的FPGA能夠為TCD1500和AD9238提供嚴(yán)格的時序驅(qū)動;2)ZYNQ的Cortex 處理器支持FATFS文件系統(tǒng)模塊，能夠大大縮短開發(fā)周期;3)在技術(shù)成熟后計劃升級為面陣CCD元器件進(jìn)行多向的應(yīng)變監(jiān)測，在圖像處理中，ZYNQ的PL處理速度和能力配合PS的控制效果是單核MCU無法達(dá)到的;4)在后續(xù)開發(fā)中計劃將其他檢測模塊集成，例如溫度、壓差傳感器及作動機構(gòu)，而且由于高空傳輸資源稀少，可以在板上實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果簡化發(fā)往地面。使得該設(shè)計逐漸完善成為成熟的健康監(jiān)測模塊。

2.1 TCD1500C驅(qū)動電路設(shè)計

線陣CCD的驅(qū)動信號由主控芯片ZYNQ產(chǎn)生，TCD1500C的供電電壓的典型值為12 V，典型工作電壓為5 V。但是ZYNQ的I/O常規(guī)口為3.3 V，與12 V的工作電壓不匹配，若直接使用ZYNQ I/O口驅(qū)動將無法工作。所以在本設(shè)計中采用反相器TC74HC04P，將TCD1500C的輸入信號進(jìn)行取反并升壓，提高ZYNQ輸出信號的驅(qū)動和負(fù)載能力，使得輸入電壓滿足TCD1500C工作電壓。[12]TCD1500驅(qū)動電路如圖4所示，根據(jù)對TC74HC04P的手冊分析可知，當(dāng)其供電電壓大于4.5 V時，反相器的輸出電壓大于3.84 V，滿足CCD驅(qū)動電路要求[13]。

圖4 TCD1500驅(qū)動電路

2.2 AD9238 外圍電路設(shè)計

本設(shè)計選用AD9238進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將TCD1500的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為精確的數(shù)字信號，AD9238支持兩路AD輸入轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)一套應(yīng)變裝置同時測量兩個點的應(yīng)變信息，極大的降低了測量成本。AD9238是ADI公司生產(chǎn)的12 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該AD芯片采用3.3 V供電，采樣速率為40 MSPS，測量精度為10 mV，工作方式為流水線式[14]。符合本結(jié)構(gòu)的設(shè)計精度。

信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用影響著人們的思想觀念、行為習(xí)慣及日常生活，也給各行各業(yè)帶來巨大變化。在電工培訓(xùn)中，這種影響和變化主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

AD9238的驅(qū)動配置及供電電路如圖5所示，每個通道的信號值通過兩個SMA接口輸入，根據(jù)電阻配置將輸入的電壓配置為-6～+6 V的范圍。將AD配置成Offset Binary模式，根據(jù)電路設(shè)計可知當(dāng)輸入為-6 V時，AD9238的轉(zhuǎn)換數(shù)值最小，當(dāng)輸入為+6 V時，轉(zhuǎn)換的數(shù)字值最大。

2.3 電源電路設(shè)計

本設(shè)計中主要用到的電壓有4種分別是12 V，5 V，3.3 V，-5 V。其中TCD1500C信號采集部分采用12 V供電，之后將12 V轉(zhuǎn)化為5 V，采用LM2596S芯片轉(zhuǎn)換。LM2596S是一款電源管理單片集成電路的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性良好?！? V采用MC34063A芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該芯片是一種能夠用以升壓和降壓的用于直流-直流轉(zhuǎn)換控制的電源芯片，其中還包含有溫度補償帶隙基準(zhǔn)源。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

本設(shè)計選用串口協(xié)議將數(shù)據(jù)從ZYNQ中傳入上位機進(jìn)行實時監(jiān)測。RS422相比其他協(xié)議具有支持全雙工差分傳輸優(yōu)勢，傳輸距離超長，且傳輸速率高，適合TCD1500C的視頻信息傳輸[15]。本結(jié)構(gòu)主要使用MAX3490芯片作為電平轉(zhuǎn)換芯片。使用的開源FAT文件系統(tǒng)模塊來控制SD卡，F(xiàn)ATFS的編寫遵循 ANSI C，因此不依賴于硬件平臺，F(xiàn)ATFS為小型的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計，系統(tǒng)支持長文件名稱，支持兩級文件夾。FATFS系統(tǒng)主要包含3層，分別是：接口層、協(xié)議層、應(yīng)用層。本設(shè)計通過調(diào)用FATFS來完成SD卡存儲及緩存[16]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本次系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要采用Verilog和C兩種語言，其中Verilog主要用于ZYNQ的PL端編程，主要包含TCD1500C的驅(qū)動時序設(shè)計、AD9238的驅(qū)動和信號采集，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)緩存模塊[17]以及RS422 串行數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊。C語言主要用于外部存儲單元讀取、存儲DDR數(shù)據(jù)以及上位機編寫及控制。

3.1 CCD驅(qū)動脈沖時序設(shè)計

根據(jù)CCD的工作原理可知[18]，TCD1500C的正常工作需要四路驅(qū)動信號分別是：RS(復(fù)位脈沖)、SH(光積分脈沖)、SP(采樣保持脈沖)、e1(驅(qū)動時鐘脈沖)。TCD1500C正常采集光信號的必備條件有：要有嚴(yán)苛的時序要求、滿足工作電壓、CCD信號輸出與AD采集同步。在e1信號的驅(qū)動脈沖信號作用下，實現(xiàn)光信號轉(zhuǎn)化為的電荷的產(chǎn)生、儲存以及轉(zhuǎn)移，最后將所有電荷信號依次驅(qū)動導(dǎo)出至OS端口[19]。

上述工作都是由驅(qū)動電路來完成，根據(jù)時序分析可知，e1的時序為0.5 MHz，占空比為1∶1，SP的頻率典型值為1 MHz。采樣保持脈沖SP的相位比RS慢1 μs，輸出復(fù)位脈沖RS為1 MHz，占空比為1：3[20]。ZYNQ在硬件語言Verilog的描述中提供SH、e1、RS、SP的四路時序信號。通過vivado的仿真功能可以得到如圖6所示的TCD1500驅(qū)動時序圖，可知完全符合datasheet的時序邏輯要求，且經(jīng)硬件電路驗證，以下信號時序符合TCD1500正常工作時序。

圖6 TCD 1500驅(qū)動時序圖

3.2 A/D采集時序設(shè)計

AD9238支持雙通道的信號采集，輸出為3.3 V的CMOS的輸出模式，兩路信號相互獨立，使用相互獨立的時鐘和數(shù)據(jù)通道。在時鐘信號的上升沿，F(xiàn)PGA采集信號[21]。AD9238驅(qū)動時序如圖7所示。

圖7 AD9238驅(qū)動時序

3.3 數(shù)據(jù)讀寫模塊設(shè)計

AXI總線協(xié)議是ARM公司開發(fā)的一套SOC總線標(biāo)準(zhǔn)，用于SOC設(shè)計時各個模塊之間的互聯(lián)操作。AXI4協(xié)議是基于猝發(fā)機制的高帶寬、高性能、低延時的總線。該協(xié)議主要包含有寫地址、寫數(shù)據(jù)、寫響應(yīng)、讀數(shù)據(jù)、讀響應(yīng)5個部分組成。主機和從機之間通過互相發(fā)送VAILD和READY信號來完成握手。同時AXI的寫響應(yīng)通道實現(xiàn)從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)出寫交易的完成信號。由于TCD1500C信號傳輸頻率高且信息量大，無法將數(shù)據(jù)從PL端傳入PS端，所以使用AXI HP總線實現(xiàn)對內(nèi)存DDR的讀寫訪問[23]。系統(tǒng)總體控制信號設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)總體控制信號設(shè)計流程圖

在vivado中建立bd文件如圖9所示，根據(jù)系統(tǒng)bd框圖可知：系統(tǒng)中有一個AXI_Interconnect作為PL和PS接口。新建包含AXI-Lite和AXI-Full協(xié)議的IP核實現(xiàn)數(shù)據(jù)在ARM和FPGA中互傳。使用該IP核可以傳輸大量數(shù)據(jù)，AXI_HP可以訪問PS端DDR內(nèi)存，此外通過AXI-Lite傳輸PS端對PL端的控制信息、突發(fā)長度等參數(shù)，通過AXI-Full將大量數(shù)據(jù)存儲至DDR中。AXI_GP端口主要用作ARM處理器訪問寄存器的通道。同時該IP核可以完成對外部硬件電路控制及驅(qū)動。

圖9 ZYNQ總體及使用資源圖

4 實驗結(jié)果與分析

經(jīng)過前期對電路的設(shè)計及測試，搭建實物連接如圖9所示，主要包括ZYNQ開發(fā)套件、TCD1500數(shù)據(jù)采集板、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。整體使用外部12 V供電，經(jīng)調(diào)試可以完成上位機的收發(fā)及SD卡緩存。達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。數(shù)據(jù)信息可以通過AXI的WRITE DATA通道顯示數(shù)據(jù)的近似模擬量來顯示在CCD的數(shù)據(jù)采集實時信號，將數(shù)據(jù)處理為一維線性如圖10所示。

圖10 采集數(shù)據(jù)示意圖

通過在vivado的bd設(shè)計中添加system-ila可以看到通過AXI協(xié)議將實時數(shù)據(jù)寫入DDR4中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在PL與PS間的互傳及TCD1500數(shù)據(jù)的實時傳輸及監(jiān)測。

TCD1500C的像元間距為7 μm，即尺寸分辨率為7 μm。像元數(shù)量為5 000左右，則總有效敏感總長度為35 mm。因此，根據(jù)囊體最大應(yīng)變1%的需求，兩個粘貼點之間的最大間距為35 mm/1%=3 500 mm。根據(jù)項目總體目標(biāo)應(yīng)變測量精度0.1%的要求，則兩個粘貼點之間的最小間距為7 μm/0.1%=7 mm。因此兩個粘貼點之間的間距區(qū)間為7～3 500 mm。

5 結(jié)束語

根據(jù)ZYNQ采集TCD1500的前端數(shù)據(jù)源，將應(yīng)變測量問題轉(zhuǎn)化為位移的數(shù)據(jù)采集，針對高空飛艇的特殊應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計了一種用于高空飛艇囊體的應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ARM+FPGA 的SOC技術(shù)，通過使用AXI4總線協(xié)議使得大量數(shù)據(jù)從PL端傳入PS端從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸至外部存儲設(shè)備以及在上位機上的顯示，系統(tǒng)具備體積小、功耗低、精度高、實時性、穩(wěn)定性強的特點。滿足囊體應(yīng)變在線監(jiān)測要求。