航天遥测系统集成式信号采集装置设计

石晓玲，边文宾，高 阳，张也弛，蔡治国

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

引 言

近年来，随着集成电路技术的发展以及广泛应用，航天遥测系统不断朝着小型化、标准化、模块化方向发展，特别是一些中小型飞行器，对遥测系统的小型化需求越来越强烈[1]。

遥测系统中，传感器作为航天器的感官和神经，遍布航天器的各个关键部位。传统航天遥测信号获取中，被测参数（如振动、温度、热流、压力等）由传感器转换成电信号，经变换器规范化处理后进入数据采集器，转换成PCM（Pulse code modulation）码流，进入遥测数据传输系统[2,3]。其中，每台传感器均通过独立电缆与对应变换器连接，每台变换器再通过独立电缆与采集设备连接，导致遥测系统产品数量繁多、连接电缆复杂、安装困难的使用现状，同时占用了有限的空间、载荷资源，影响系统可靠性。

为解决上述问题，部分遥测系统传感器将变换电路集成到传感器内部，省去了变换器以及传感器、变换器之间的电缆。例如，一体化振动冲击传感器通过先进的微机械加工技术将敏感元件和信号调节电路集成在单片电路上，使被测参数直接转换为可长距离传输的电信号[4,5]。

但是，部分遥测传感器直接面临高温等恶劣的工作环境，如温度传感器、热流传感器等，信号调节电路难以适应。本文针对航天遥测系统温度、热流传感器的信号采集需求，设计一种集成式信号采集装置，实现信号的统一采集、传输，替代传统遥测系统中的独立变换器，同时省去各独立变换器与采集设备之间的电缆。集成式信号采集装置以模块化、可扩展、总线式为设计思想，以统一供电、集中变换、PCM输出的方式，形成多参数传感网络，降低遥测系统的体积、功耗和重量，同时，通过硬件配置模块化、软件适应差异性的方式，提高了在不同型号产品上使用的通用性。

1 集成式信号采集装置方案设计

集成式信号采集装置采集遥测系统多路温度、热流传感器信号，转换成标准的PCM数字信号，接收并执行中心程序器的指令，完成数据上传。

集成式信号采集装置具备以下特点：

①小型化：在满足装置功能要求的前提下，具有体积小、重量轻、功耗低的特性。

② 可扩展性：硬件采用模块化、总线式设计，根据功能分为电源变换模块、数据综合处理模块和传感器信号变换模块，不同模块通过板式接插件对接，可以根据测量需求配置模块类型和数量。

③通用性：采用FPGA作为主控芯片，完成信号变换单元数据采样、编码、存储及与上级软件通讯的功能，使用灵活，可以适应不同总体接口需求，提高了在不同型号产品上使用的通用性。

④ 航天环境适应性：通过电磁兼容设计、结构防护设计，能够适应振动、过载、电磁辐射干扰等恶劣的航天环境。

1.1 电路结构

集成式信号采集装置以模块化、总线结构设计为思想，兼顾产品环境适应性，方案如下：

①模块化设计，按功能划分模块，包括电源变换单元、数据综合处理单元和若干个传感器信号变换单元，结构如图1所示。其中，电源变换单元负责将输入的28V DC电压转换为各级模块需要的工作电压；传感器信号变换单元对传感器输出信号进行变换，并通过板上的单片机采集、缓存变换后的电压信号，当单片机接收到数字综合处理单元FPGA的收集数据指令后，按照约定好的协议将缓存的信号上传数字综合处理单元中，FPGA逻辑控制单元采集数字信号、收集各个信号变换单元输出，同时与遥测系统通讯。

图1 集成式信号采集装置Fig.1 The integrated data acquisition device

内部模块接口分为电源接口、总线接口两类。电源接口将电源变换单元变换后的电源传送到各个信号变换单元及数字综合处理单元。数字综合处理单元与各信号变换单元采用SPI总线实现数据通讯。

② 产品可扩展，信号变换模块之间的信号通过SPI总线进行信号交互，各传感器信号变换单元可根据任务的需要，按所测参数的种类、数量选择不同的模块灵活进行组配。

③结构可靠，每个模块电路安装在串屉式结构中，模块之间通过板式接插件相连，使用灵活，结构采用子口连接，防侧向冲击、电磁干扰性好[5]。

1.2 数据结构

集成式信号采集装置采用FPGA作为主控芯片，实现信号变换单元数据采样、编码、存储及与上级软件通讯的功能，使用灵活，可以适应不同总体测量需求、接口需求。

集成式信号采集装置内部，FPGA软件与各信号变换单元的单片机软件通过三线制SPI总线实现数据通讯。SPI通讯为主从模式，FPGA作为主器件，启动数据传输，并提供SCK，单片机作为从器件，在FPGA的控制下接收或发送数据，如图2所示。

图2 数据结构图Fig.2 The data structure

2 集成式信号采集装置详细设计

2.1 硬件设计

2.1.1 电源变换单元

常见的电源种类共3种，如表1所示。

表1 集成变换器所需电源种类Table 1 The type of power sourse

DC/DC的输入与输出之间互相隔离。为提高产品的电磁兼容性，在DC/DC之间选用了电源滤波器。为防止电源启动时对28V母线电流冲击，在电源输入端设置缓启动电路。为降低电源输出的纹波和噪声，在电源输出端均设计了LC滤波电路[7,8]。电源电路如图3所示。

图3 电源电路Fig.3 Power circuit block

2.1.2 数字综合处理单元电路

数字综合处理单元由FPGA电路、接口电路、电源电路组成。

数字综合处理单元FPGA通过内部接口中的SPI总线采集集成式信号采集装置内部信号变换单元上传的各类传感器信号，通过接口电路实现与遥测系统通讯功能。

接口电路按遥测系统要求设置。

2.1.3 信号变换单元

信号变换单元处理各种传感器采集的微弱信号，并转换成标准的数字信号，主要由信号变换电路、单片机采集电路和电源电路组成。信号变换单元分为热流信号处理单元、热偶信号处理单元两种，信号变换电路依据各自的传感器类型设置，其他模块相同。

信号变换电路处理不同类型的传感器信号，转换为标准0～5V信号，通过多路开关进入单片机I/O口，由单片机采集电路控制多路开关切换，并启动内置ADC转换为数字信号，最后根据FPGA指令，通过内部接口中的SPI总线上传。电源电路接收内部电源接口中的模拟电源和数字电源，转换成本单元需要的电源，供信号变换电路和单片机采集电路使用。

2.2 软件设计

集成式信号采集装置软件由单片机软件、FPGA软件组成。单片机软件位于各个信号变换单元，实现传感器信号的采集、缓存，接收并执行FPGA的收数指令。FPGA收集单片机采集的数据，并按型号约定的帧结构发送给上级软件。

单片机软件为内部固定软件，FPGA软件可根据型号测量要求、接口协议做适应性调整，通过这种方式，保证了集成式信号采集装置的使用灵活性与稳定可靠性。

2.2.1 FPGA软件

集成式信号采集装置采用 FPGA作为主控芯片，实现信号变换单元数据采样、编码、存储及与上级软件通讯的功能。

FPGA通过其内部时序逻辑配合外围电路完成采集工作。FPGA上电后每隔固定时间完成一轮采集、编码、更新，收到上级软件收数要求后，将缓存中最新的数据发送出去[9,10]。程序流程如图4所示。

2.2.2 单片机软件

集成式信号采集装置单片机软件完成热偶/热流信号变换单元数据的采集，并以中断的方式响应FPGA指令发送数据。

单片机软件初始化后，判断软件工作模式，根据工作模式选择不同类型的数据采集模式，实现数据采集、缓存功能。单片机软件将FPGA芯片的NSS选定信号作为中断入口，接收到NSS信号后，进入中断，将最新的数据发送给FPGA[11,12]。软件流程如图5所示。

图4 状态转移图Fig.4 Station machine block

图5 单片机软件流程Fig.5 Software flow of MCU

2.3 环境防护设计

集成式信号采集装置采用串屉式结构，结构间设计子口连接，可以分担部分侧面冲击力。电源层壳体的中间有印制板支撑，用螺钉固定，以减小大冲击下印制板形变，提高产品抗冲击能力。体积较大的元器件点胶固定。保证焊盘安全间距，元器件安装高度尽量靠近印制板表面。

集成式信号采集装置电磁兼容设计参照GJB151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》进行，采取了如下一些提高电磁兼容性设计措施。

DC-DC模块输入端设置电磁兼容滤波器，输出端设置LC滤波器。电源模块均有过流或过热保护功能，稳压器输入端均有限流电阻。产品结构采用子口连接，提高了电磁屏蔽能力。合理安排电子线路的分布，使其相互连线的数量最小，线距最短；CMOS器件均使用去耦电容，输入端设置限流电阻，防止电路闩锁；单片机未使用管脚均配置为弱上拉模式，防止引入干扰。设备的一次电源地与二次电源地隔离，隔离电阻不小于100MΩ；设备的一次电源地与机壳隔离，隔离电阻不小于100MΩ[13]。

2.4 试验验证

集成式信号采集装置与传感器配套使用，组成高度集成的多参数传感网络，应用于某弹载多参数测量系统，实现19路内壁温度、57路热流、36路外表面温度、18路外表面压力参数测量，形成数据码流34Kbps。在同等条件下与传统变换器比较，重量减少约82%，体积减小约65%，功耗降低约77%。

集成式信号采集装置及对应测量系统如图6所示。

图6 集成式信号采集装置应用图Fig.6 The application of the integrated data acquisition device

3 结束语

在遥测系统小型化发展趋势下，本文针对传统遥测系统传感器-变换器模式带来的变换器数量多、体积大、电缆网复杂的问题，详细介绍了集成式信号采集装置的设计方案和系统测试情况，通过集成式信号采集装置配合遥测传感器，组成高度集成的多参数传感网络，再通过硬件、软件配置，能够适用于不同的遥测系统，具有体积小、质量轻、可靠性高、使用灵活等特点。该装置已在多个型号项目上应用，均圆满完成了型号任务。

集成式信号采集装置通过集成变换器的方式，缩减了变换器数量、变换器到遥测数据采集系统的电缆，但传感器与信号采集装置之间仍然存在大量的电缆，随着系统进一步开发，在传感器端集成无线发送装置，在集成式信号采集装置中设置无线网络汇聚节点，通过无线传输的方式，可进一步降低遥测系统重量、复杂性。