基于ZYNQ的飞艇囊体应变在线监测系统设计

张晓荣,王保成,郝 勇 ,徐文宽,秦慧娴,2,袁明昱,2

(1. 中国科学院 空天信息创新研究院，北京 100094；2. 中国科学院大学 光电学院，北京 100049)

0 引言

平流层飞艇是一种轻于空气的飞行器，主要由飞艇囊体、能源系统、推进系统、载荷舱构成。工作在临近空间，主要依靠空气浮力实现驻空及可控飞行[1]。在桥梁、飞行器、船舶等大型结构的健康监测中，应变是能够反映材料或结构力学性能的重要参数，应变同样是反应飞艇工作状态的重要参数[2]。飞艇蒙皮的完整是飞艇系统正常工作的基本保证，蒙皮材料是飞艇的核心结构。因此对飞艇囊体应变进行检测，其研究目的在于能在线监视囊体的应变情况。飞艇的主体结构是充气的球体，飞艇主囊体采用柔性二维正交各向异性的性复合材料。在正常工作状态下的飞艇，飞艇的蒙皮受到内外压差的作用，会处于双向拉伸的状态，由于飞艇囊体厚度远小于飞艇的长度，整体结构在受载情况下容易发生较大的变形甚至破坏，此时蒙皮的应变情况是蒙皮是否处于健康状态的重要指示，同时也能够为飞艇的安全运行提供可靠数据保障[3]。目前，在对类似飞艇囊体的柔性应变的监测技术种类较少，且测量精度和及时性不能同时满足，所以针对这一待解决的问题提出了基于ZYNQ的应变在线监测系统设计方案以对工作状态的飞艇囊体进行实时监测。

针对大型结构应变的测量，一般分为接触式测量和非接触式测量[4]，其中最传统的方法是使用电测法和光纤应变传感器测量方法[5]，但是前者耗电，测量精度低，而且对使用环境要求高，易受电磁干扰。后者虽然可靠性高但是受温度敏感温度-应变交叉敏感性影响，应变测量灵敏度低，且不能满足实际工程应用环境中双参量测量的需求[6-7]。基于以上测量方法，提出一种基于ZYNQ的应变测量方法，该方法灵敏度、分辨率高而且能够实现实时在线测量[8]。应用范围可以推广至其他大型工程结构的健康检测或者位移的测量中，具有良好的普适性。

1 系统结构及原理

根据飞艇囊体设计分析和试验数据，囊体应变较大的区域是最大直径处(个别特殊应力集中点暂不考虑)，且其环形应变远大于轴向应变。囊体超压通常也是沿经线撕裂。因此，飞艇囊体应变监测应重点监测囊体最大直径处的环形应变。浮空器中心研制了多个型号的飞艇，有长度从30～100 m的多个规格，且进行了多次应变测试试验，根据所在中心的试验报告可以得到，囊体最大直径处的环形应变不会超过0.5%，考虑囊体设计安全系数，其破裂应变大约在1%左右。根据实验结果及数据可知整体的应变测量装置可以放置于经线方向。

根据薄壁圆筒理论，传统飞艇设计分析中纵向应力和环向应力可采用近似公式：

(1)

(2)

其中：σa为纵向应力，σr为环向应力，p为艇囊内外压差。r(x)为艇囊截面曲率半径，t为艇囊壁厚。设置厚度0.1 cm，内压为1 000 Pa。根据以上设置可得如图1所示的飞艇受力云图。根据飞艇受力应变云图可以看出，蒙皮受到的应力呈环状均匀变化，在飞艇轴向曲率最小的腹部，应力值达到极大值，在飞艇的鼻端应力分别达到极小值，这与实际结果也是相符合的[9]。所以在应变测量过程中需要集中考虑囊体腹部沿经线方向的应变情况。之后设计的应变测量装置参考飞艇受力应变云图沿经线方向在飞艇腹部多点粘贴。

图1 飞艇受力应变云图

系统总体结构原理如图2所示，整个应变测量装置由两个粘贴片粘贴在飞艇囊体上，其中CCD线阵传感器和光源初始分别固定在囊体表面上相距一定距离位置，并且通过机械约束结构使得光照方向时刻与线阵CCD感光面保持垂直关系。两个粘贴片分别与光源和CCD传感器固连。当囊体受到拉力产生应变时，两个粘贴片的位置会随着囊体受力而发生相对位移ΔL，此时的光源和CCD线阵传感器的相对位置会发生变化,而其位置变化量也为ΔL。同时CCD线阵传感器实时感知并记录下光源相对CCD的移动，计算位移与两个粘贴点的原始距离之间的比值即得到应变ε=ΔL/L。

图2 应变测量装置结构图

虽然囊体表面为弧形，需要在设计方案过程中要考虑消除曲率带来的影响，但是通常飞艇直径较大，而应变传感器尺寸较小，因此这种影响很小，在研究初期不纳入考虑范围[10]。同时由于CCD作为光电传感器属于积分型元器件，灵敏度高所以采用单独光源，在机械结构设计、制作上需要保证整体结构密闭、避光、防尘、防射线，以保证CCD工作状态良好，不受外界环境干扰。

2 系统硬件设计

飞艇囊体的应变在线监测系统主要以ZYNQ7020为主控芯片，整体包含光源系统、电源系统、AD采集模块、驱动控制模块、FIFO数据缓存、串口传输模块、SD存储卡模块。应变测量装置数据传输逻辑如图3所示，首先整体系统复位初始化，之后由ZYNQ PL端产生TCD1500以及AD9238的驱动信号，在光电作用下，TCD1500将每个周期产生的5 340个包含光照信息的模拟电压值的数据传输至AD9238中进行模数转换，之后在模数转换中将包含位移信息的光强信息数值化。AD9238将采集的信息传输至ZYNQ的PL端，PL端将接收的数据传输至FIFO进行缓存，通过ZYNQ中的AXI4数据传输协议将数据传输至PS端的DDR中进行后处理，由于CCD的数据信息大且采样速率快，这势必占据过多的资源，而且从飞艇飞行状态监测来看，需要传输的状态量很多，并不需要根据应变数据进行姿态控制或操作，所以将采用1次/s的速率将实时信息通过串口传输至地面计算机上。同时为了保证每次飞行数据的完整性，并且方便每次飞行后数据分析，需要保证数据真实、完整、详细。所以将所有数据存入SD卡中。在经过多次飞行验证后也可以根据数据分析获得得到光照界限，将精确的光照信号二值化，转化为0、1二值信号，使得传输更快捷、高效、直观。

图3 应变测量装置数据传输逻辑图

本系统设计主要功能为在飞艇工作过程中实现飞艇囊体应变的实时监测，所以需要对选用一维线性CCD器件对位移信息进行实时监测,选用的CCD芯片为TOSHIBA公司的TCD1500C，包含5 340个像元，每个像元尺寸为7 μm×7 μm×7 μm，光敏区域包含高灵敏度且低暗电压信号的二极管，并且采用DIP22的双列直插型的封装形式。TCD1500C的小尺寸、低暗电流、高灵敏度的响应特点，能够满足飞艇囊体的应变在线监测的测量精度、速度和稳定性的需求。同时由于CCD具有灵敏度高，动态范围大、像素划分精度高等特点，所以光源选择亮度和光源效率更高的发光二极管[11]。

ZYNQ是Xilinx公司推出的一款可扩展处理器平台，性能高、功耗低，包含一个可编程逻辑(PL)和两个Cortex-A9处理器(PS)，通过AXI协议进行通信。在此设计中ZYNQ主要实现的功能为:1)TCD1500C以及AD提供驱动信号；2)采集数据并且存储；3)对接收的信息进行数据处理；4)将处理后的信息传回地面计算机上以实现实时的监控。本设计选用ZYNQ芯片基于以下原因：1)ZYNQ芯片的FPGA能够为TCD1500和AD9238提供严格的时序驱动;2)ZYNQ的Cortex 处理器支持FATFS文件系统模块，能够大大缩短开发周期;3)在技术成熟后计划升级为面阵CCD元器件进行多向的应变监测，在图像处理中，ZYNQ的PL处理速度和能力配合PS的控制效果是单核MCU无法达到的;4)在后续开发中计划将其他检测模块集成，例如温度、压差传感器及作动机构，而且由于高空传输资源稀少，可以在板上实现数据处理，将处理结果简化发往地面。使得该设计逐渐完善成为成熟的健康监测模块。

2.1 TCD1500C驱动电路设计

线阵CCD的驱动信号由主控芯片ZYNQ产生，TCD1500C的供电电压的典型值为12 V，典型工作电压为5 V。但是ZYNQ的I/O常规口为3.3 V，与12 V的工作电压不匹配，若直接使用ZYNQ I/O口驱动将无法工作。所以在本设计中采用反相器TC74HC04P，将TCD1500C的输入信号进行取反并升压，提高ZYNQ输出信号的驱动和负载能力，使得输入电压满足TCD1500C工作电压。[12]TCD1500驱动电路如图4所示，根据对TC74HC04P的手册分析可知，当其供电电压大于4.5 V时，反相器的输出电压大于3.84 V，满足CCD驱动电路要求[13]。

图4 TCD1500驱动电路

2.2 AD9238 外围电路设计

本设计选用AD9238进行模数转换，将TCD1500的模拟电压信号转化为精确的数字信号，AD9238支持两路AD输入转换，可以实现一套应变装置同时测量两个点的应变信息，极大的降低了测量成本。AD9238是ADI公司生产的12 bit模数转换器，该AD芯片采用3.3 V供电，采样速率为40 MSPS，测量精度为10 mV，工作方式为流水线式[14]。符合本结构的设计精度。

信息技术的广泛应用影响着人们的思想观念、行为习惯及日常生活，也给各行各业带来巨大变化。在电工培训中，这种影响和变化主要体现在以下几个方面。

AD9238的驱动配置及供电电路如图5所示，每个通道的信号值通过两个SMA接口输入，根据电阻配置将输入的电压配置为-6～+6 V的范围。将AD配置成Offset Binary模式，根据电路设计可知当输入为-6 V时，AD9238的转换数值最小，当输入为+6 V时，转换的数字值最大。

2.3 电源电路设计

本设计中主要用到的电压有4种分别是12 V，5 V，3.3 V，-5 V。其中TCD1500C信号采集部分采用12 V供电，之后将12 V转化为5 V，采用LM2596S芯片转换。LM2596S是一款电源管理单片集成电路的开关电压调节器，线性和负载调节特性良好。±5 V采用MC34063A芯片进行转换。该芯片是一种能够用以升压和降压的用于直流-直流转换控制的电源芯片，其中还包含有温度补偿带隙基准源。

2.4 数据传输模块设计

本设计选用串口协议将数据从ZYNQ中传入上位机进行实时监测。RS422相比其他协议具有支持全双工差分传输优势，传输距离超长，且传输速率高，适合TCD1500C的视频信息传输[15]。本结构主要使用MAX3490芯片作为电平转换芯片。使用的开源FAT文件系统模块来控制SD卡，FATFS的编写遵循 ANSI C，因此不依赖于硬件平台，FATFS为小型的嵌入式系统而设计，系统支持长文件名称，支持两级文件夹。FATFS系统主要包含3层，分别是：接口层、协议层、应用层。本设计通过调用FATFS来完成SD卡存储及缓存[16]。

3 系统软件设计

本次系统的软件设计主要采用Verilog和C两种语言，其中Verilog主要用于ZYNQ的PL端编程，主要包含TCD1500C的驱动时序设计、AD9238的驱动和信号采集，FIFO数据缓存模块[17]以及RS422 串行数据驱动模块。C语言主要用于外部存储单元读取、存储DDR数据以及上位机编写及控制。

3.1 CCD驱动脉冲时序设计

根据CCD的工作原理可知[18]，TCD1500C的正常工作需要四路驱动信号分别是：RS(复位脉冲)、SH(光积分脉冲)、SP(采样保持脉冲)、e1(驱动时钟脉冲)。TCD1500C正常采集光信号的必备条件有：要有严苛的时序要求、满足工作电压、CCD信号输出与AD采集同步。在e1信号的驱动脉冲信号作用下，实现光信号转化为的电荷的产生、储存以及转移，最后将所有电荷信号依次驱动导出至OS端口[19]。

上述工作都是由驱动电路来完成，根据时序分析可知，e1的时序为0.5 MHz，占空比为1∶1，SP的频率典型值为1 MHz。采样保持脉冲SP的相位比RS慢1 μs，输出复位脉冲RS为1 MHz，占空比为1：3[20]。ZYNQ在硬件语言Verilog的描述中提供SH、e1、RS、SP的四路时序信号。通过vivado的仿真功能可以得到如图6所示的TCD1500驱动时序图，可知完全符合datasheet的时序逻辑要求，且经硬件电路验证，以下信号时序符合TCD1500正常工作时序。

图6 TCD 1500驱动时序图

3.2 A/D采集时序设计

AD9238支持双通道的信号采集，输出为3.3 V的CMOS的输出模式，两路信号相互独立，使用相互独立的时钟和数据通道。在时钟信号的上升沿，FPGA采集信号[21]。AD9238驱动时序如图7所示。

图7 AD9238驱动时序

3.3 数据读写模块设计

AXI总线协议是ARM公司开发的一套SOC总线标准，用于SOC设计时各个模块之间的互联操作。AXI4协议是基于猝发机制的高带宽、高性能、低延时的总线。该协议主要包含有写地址、写数据、写响应、读数据、读响应5个部分组成。主机和从机之间通过互相发送VAILD和READY信号来完成握手。同时AXI的写响应通道实现从设备向主设备发出写交易的完成信号。由于TCD1500C信号传输频率高且信息量大，无法将数据从PL端传入PS端，所以使用AXI HP总线实现对内存DDR的读写访问[23]。系统总体控制信号设计流程如图8所示。

图8 系统总体控制信号设计流程图

在vivado中建立bd文件如图9所示，根据系统bd框图可知：系统中有一个AXI_Interconnect作为PL和PS接口。新建包含AXI-Lite和AXI-Full协议的IP核实现数据在ARM和FPGA中互传。使用该IP核可以传输大量数据，AXI_HP可以访问PS端DDR内存，此外通过AXI-Lite传输PS端对PL端的控制信息、突发长度等参数，通过AXI-Full将大量数据存储至DDR中。AXI_GP端口主要用作ARM处理器访问寄存器的通道。同时该IP核可以完成对外部硬件电路控制及驱动。

图9 ZYNQ总体及使用资源图

4 实验结果与分析

经过前期对电路的设计及测试，搭建实物连接如图9所示，主要包括ZYNQ开发套件、TCD1500数据采集板、AD模数转换模块。整体使用外部12 V供电，经调试可以完成上位机的收发及SD卡缓存。达到设计指标。数据信息可以通过AXI的WRITE DATA通道显示数据的近似模拟量来显示在CCD的数据采集实时信号，将数据处理为一维线性如图10所示。

图10 采集数据示意图

通过在vivado的bd设计中添加system-ila可以看到通过AXI协议将实时数据写入DDR4中，实现数据在PL与PS间的互传及TCD1500数据的实时传输及监测。

TCD1500C的像元间距为7 μm，即尺寸分辨率为7 μm。像元数量为5 000左右，则总有效敏感总长度为35 mm。因此，根据囊体最大应变1%的需求，两个粘贴点之间的最大间距为35 mm/1%=3 500 mm。根据项目总体目标应变测量精度0.1%的要求，则两个粘贴点之间的最小间距为7 μm/0.1%=7 mm。因此两个粘贴点之间的间距区间为7～3 500 mm。

5 结束语

根据ZYNQ采集TCD1500的前端数据源，将应变测量问题转化为位移的数据采集，针对高空飞艇的特殊应用环境，设计了一种用于高空飞艇囊体的应变在线监测系统。该系统采用ARM+FPGA 的SOC技术，通过使用AXI4总线协议使得大量数据从PL端传入PS端从而实现数据传输至外部存储设备以及在上位机上的显示，系统具备体积小、功耗低、精度高、实时性、稳定性强的特点。满足囊体应变在线监测要求。