输出shutdown参数

测控技术2021年第40卷第2期智能感知与仪器仪表收稿日期:2020-03-15作者简介:丁博深(1988—),女,硕士,工程师,主要研究方向测控技术和测控系统.
引用格式:丁博深,段燕,李艳艳.
氢氧发动机紧急关机测试的多路信号源设计[J].
测控技术,2021,40(2):80-84.
DINGBS,DUANY,LIYY.
DesignofMultiChannelSignalSourceforEmergencyShutdownTestofLH2/LOXRocketEngine[J].
Measurement&ControlTechnology,2021,40(2):80-84.
氢氧发动机紧急关机测试的多路信号源设计丁博深,段燕,李艳艳(北京航天试验技术研究所,北京100074)摘要:氢氧火箭发动机试验准备过程中,要对发动机紧急关机程序进行测试.
测试时需要使用频率、毫伏级电压和高/低电平等多种信号源,模拟加载发动机异常状态下的传感器信号.
为解决传统方法需要设备多、操作烦琐的问题,设计了一台可自动同时输出12路紧急关机测试信号的信号源.
使用DDS芯片AD9851输出频率可调的正弦波信号;使用DAC8554输出精确电压小信号,并利用精密电阻分压获得了更高的分辨力和更低的输出电压;使用三极管输出高/低电平信号.
以STM32为主控制器,结合串口屏设计了输出控制和人机交互界面程序.
经校准,信号源输出频率信号的精度为002%,电压小信号设置精准度不超过02mV,适用于多种型号氢氧发动机试验,可有效提高试验准备效率和自动化水平.
关键词:氢氧发动机试验;紧急关机测试;STM32;信号源中图分类号:V434文献标识码:A文章编号:1000-8829(2021)02-0080-05doi:10.
19708/j.
ckjs.
2020.
09.
312DesignofMultiChannelSignalSourceforEmergencyShutdownTestofLH2/LOXRocketEngineDINGBoshen牞DUANYan牞LIYanyan牗BeijingInstituteofAerospaceTestingTechnology牞Beijing100074牞China牘Abstract牶InthepreparationofLH2/LOXrocketenginetest牞itisimportanttotesttheemergencyshutdownprocedureoftheengine.
Duringthetest牞avarietyofsignalsourcessuchasfrequency牞millivoltvoltageandhigh/lowlevelareneededtosimulatethesensorsignalunderabnormalconditionsoftheloadedengine.
Inordertosolvetheproblemsthatthetraditionalmethodrequiresmoreequipmentandtheoperationiscomplicated牞asignalsourcethatcanautomaticallyoutput12channelsofemergencyshutdowntestsignalsatthesametimeisdesigned.
DDSchipAD9851wasusedtooutputsinewavesignalwithadjustablefrequency.
DAC8554wasusedtooutputtheprecisevoltagesmallsignal牞andpreciseresistancepartialvoltagewasusedtoobtainhigherresolutionandloweroutputvoltage.
Triodeswereusedtooutputhigh/lowlevelsignal.
WithSTM32asthemaincontroller牞combinedwiththeserialportscreenincludingthechannelcalibrationprogram牞theoutputcontrolandhumancomputerinterfaceprogramweredesigned.
Aftercalibration牞theaccuracyoftheoutputfrequencysignalofthesignalsourceis002%牞andthesettingaccuracyofthesmallvoltagesignalisnotmorethan02mV.
ItcanbeappliedtothetestofvarioustypesofLH2/LOXengines牞andcaneffectivelyimprovetheefficiencyoftestpreparationandthelevelofautomation.
Keywords牶LH2/LOXenginetest牷emergencyshutdowntest牷STM32牷signalsource·08·氢氧发动机是国内外液体火箭发动机发展趋势之一,近年来得到蓬勃发展.
在氢氧发动机地面试验准备过程中,要对地面试验系统进行程序检查,主要目的是验证发动机试验出现参数异常时,测控系统能否及时执行自动紧急关机程序[1].
程序检查时,通常需要用到3类信号源模拟发动机上的关键参数,信号类型包括:正弦波频率信号、毫伏级电压信号和高/低电平信号.
根据程序检查实际需求,每次测试8~10个关机条件,每个条件需人工将多个模拟信号调节至特定范围,这种调节方式不仅影响了试验准备效率,还存在人工误操作风险.
目前,国内氢氧发动机试验程序检查时,实现模拟信号加载的方式普遍有两种:一种是用多台信号源实现信号模拟;另一种方式是将多路频率发生器和电压信号源客制化在一台设备上,该方式较第一种方式减少了信号源设备,但每次程序检查仍需根据不同关机条件分别调整多个模拟信号大小.
此外,还有基于NI板卡简易的模拟紧急关机参数方式,但需要控制器和模块支持,只适用于基于NI采集控制设备的系统.
由于每个关机条件中的要调节的模拟信号范围相对固定,为了实现控制每个条件的信号同时自动输出,本文用STM32F103ZET6作为主控制芯片,通过SPI与AD9851通信,令其产生预设的频率信号,通过串行传输与DAC8554通信,令其产生预设的毫伏级电压信号,为了进一步降低偏移误差,获得更高的分辨力,电压输出后用精密电阻分压,实现了精准的低电压输出.
同时,STM32的I/O口控制三极管输出高/低电平信号.
用串口屏实现人机交互.
通过单击屏幕上不同条件按键,向STM32发出不同指令,对应输出所需的一系列信号.
1背景目前氢氧发动机试验自动紧急关机的参数判读由采集系统的工控机完成.
若出现异常,工控机发送DO信号给控制台执行紧急关机操作,如图1所示.
紧急关机判读的参数随发动机原理不同而各异,由相应的传感器转换成电信号传输给采集系统,通常包括转速和压力参数.
某些型号发动机高空模拟试验判读参数还包括真空压力参数.
图1紧急关机过程框图信号源设计要求与传感器输出形式和量级相关.
试验所用的应变式压力传感器,最大输出约10mV,因此,电压模拟信号范围要求在0~10mV之间.
为了保证模拟的压力信号稳定和设置的关机条件的准确性,要求电压设置精度优于05mV,分辨力优于05mV,噪声峰峰值小于1mV.
真空压力测量通常使用电容薄膜式或压阻式变送器,输出4~20mA电流信号并通过采样电阻转为1~5V电压信号.
试验时,当真空度高于一定数值,即真空传感器输出5V以上电压时,认为满足关机条件,执行紧急关机.
因此,真空压力的模拟信号输出≥5V和≤1V的两种电平信号,即可满足程序检查需求.
转速信号的输出是正弦波电压信号,该信号通过预处理仪转成TTL电平,采集系统通过测量TTL周期来实现频率测量,如图2所示.
根据程序检查需求,信号源需满足可程序控制输出0~1kHz正弦波信号,设置精度优于1Hz,分辨力优于1Hz.
图2频率测量原理图2电路设计信号源主控芯片为意法半导体(ST)的STM32F103ZET6单片机,其具有3个SPI通信口、5个串口、2个12bit的D/A,最高主频72MHz,满足信号源自动控制功能的实现,在低功耗、低电压运行等基础上实现了高性能.
信号源原理框图如图3所示.
图3信号源原理框图2.
1电源设计(1)带载能力.
对负载芯片功耗进行统计计算.
STM32F103在不同应用条件下,工作电流不同,最大为150mA;DAC8554不同供电电压下,工作电流不同,最大为095mA[2];5inHMI电阻屏非SLEEP模式额定电流为350mA;AD9851不同供电电压下额定电流[3]如表1所示.
表1AD9851额定电流工作频率/MHz供电/V温度/℃额定电流最大值/mA62.
52.
7253510002.
7255062.
53.
3254512503.
3257062.
55.
0256518005.
025130·18·氢氧发动机紧急关机测试的多路信号源设计假设仅用线性电源,理论上总电流如表2所示.
表2总电流计算单位:mA数字部分模拟部分HMI屏STM32AD9851DAC8554总电流350150130*20.
95*2761.
9表2每个芯片以额定电流最大值计算,忽略电阻损耗.
计算结果显示整个电路驱动电流约为7619mA,小于1A,信号源设备采用带负载能力1A的电源.
(2)散热.
STM32工作电压VDD=2~36V,本文选择33V供电;DAC8554和AD9851数模两部分电源供电分开,供电电压33V或5V.
为了最小化系统,提高转换效率,采用开关电源变压后给信号源供电.
同时,采取表3所列措施减少电流输出,减小压降,从而降低热耗.
表3降低热耗措施序号措施具体内容1减少电流输出AD9851用3.
3V供电,30MHz时钟工作2降低压降信号源供电采用9V1A的电源适配器3更改供电方式数字部分和模拟部分供电电源分开,数字部分由于电流需求大,采用DCDC电源;模拟部分,采用线性电源表3中的措施3是为了保证模拟信号输出较低噪声,采用散热较好的D2PAK封装L7805线性稳压器输出5V电压,其热性能参数如表4所示.
表4L7805热性能参数参数名符号热阻值Junctioncase热阻RthJC3℃/WJuntionAmbienct热阻RthJA62.
5℃/W用以下公式[4]计算散热功率:T=T0+RthJA*P(1)式中,T为电路正常工作时,线性稳压器的温度;T0为环境温度;P为线性稳压器以热形式耗散的功率.
通过式(1)计算L7805理论温升小于23℃.
室温20℃下,其实际温度仅比体温稍高.
(3)干扰.
为了减小数模之间干扰,将数字和模拟部分的5V供电分开,一路由金升阳DCDC模块K7805为数字部分供电,一路由ST公司的L7805为模拟部分供电,压降到5V后,各自进LDO芯片AMS11173.
3,实现33V输出,如图4所示.
通常数字电路干扰较大,除数模电源分开外,模拟地与数字地也分开敷设,最终在9V电源负处汇集,防止干扰.
2.
2电压模拟信号设计为实现可控的电压模拟信号输出,采用D/A转换的方式.
由设计要求,输出至少有05mV的分辨力.
图4电源设计框图参考电压为45V,位数由式(2)计算得出,12位以上的D/A可满足要求.
4500mV÷0.
5mV=9000>212(2)为了达到更高分辨力,电压模拟信号输出采用D/A芯片DAC8554,该芯片是德州仪器(TI)公司推出的一款4路16位D/A芯片.
主要性能指标如表5所示.
表5DAC8554主要性能指标性能指标指标值INL±4LSBDNL±0.
25LSBZeroscaleerror±2mV分辨力@5V0.
076mV该芯片具有较高分辨力,参考电压5V下,模拟量输出分辨力约008mV.
信号源采用2个DAC8554,实现8路电压信号输出.
芯片电路设计原理图如图5所示.
图5DAC8554电路设计原理图由于D/A输出的稳定性依赖于参考电压,这里采用REF5045电压基准芯片[5]的输出作为VREFH参考.
同时,DAC8554芯片的偏移误差平均±2mV,最大±12mV,该误差导致数字信号输出0时,模拟量输出不为0.
为了减小该输出误差,本文采用精度01%,温漂系数±10ppm/℃高精密电阻对4路输出进行1∶9分压.
分压后,控制分辨力提高了10倍,可达0007mV,输出范围从VREFH缩小到110VREFH.
采集设备输入阻抗50MΩ,若采用1kΩ和9kΩ电阻进行分压,测量误差不超过18*10-6.
2.
3频率模拟信号设计正弦波频率输出采用AD9851芯片,该芯片是亚德诺半导体(ADI)公司的一款高集成度DDS频率合·28·《测控技术》2021年第40卷第2期成器,主要性能指标如表6所示,满足频率分辨力优于1Hz的设计要求.
信号源采用2片AD9851,实现2路频率信号输出.
表6AD9851主要性能指标性能指标指标值最大输出频率180MHzDAC位数12bitSFDR@70MHz输出>43dB频率分辨力@180MHz0.
04Hz频率发生芯片AD9851用SPI进行通信,通过串行模式输送数据,减少端口占用.
电路原理图[6~8]如图6所示.
图6AD9851电路设计原理图2.
4高低电平电路设计利用三极管的截止/饱和工作状态可模拟输出高/低电平状态,原理图如图7所示.
图7三极管原理图单片机输出数字信号Pin为"0"时,三极管截止,Pout输出高电平DVCC(5V);Pin为"1"时,三极管饱和,Pout输出低电平VCE(sat).
信号源用2个三极管开关电路,实现2路高低电平信号输出.
3软件设计在KeilMDK开发环境下对STM32控制和交互程序进行设计[9],编程逻辑基于中断,若HMI串口屏的Tx发送数据,STM32产生中断接收数据,根据接收数据不同输出不同模拟信号.
程序流程图如图8所示.
图8STM32程序流程图3.
1STM32与AD9851通信AD9851默认为并行传输模式,因本文使用的是串行传输模式,需设置D7~D0为xxxxx011.
上电后,STM32控制RESET(高电平有效)置0,接着对RESET置1,置1时长大于5个时钟周期,此时AD9851开启默认的并行传输模式,随后,立即执行图9所示的时序设置,才能顺利完成串行设置.
图9AD9851串行设置时序图·38·氢氧发动机紧急关机测试的多路信号源设计值得注意的是,根据AD9851传输时序(如图10所示),STM32的SPI应设置为:串行同步时钟的空闲状态为低电平,在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样;数据传输从LSB位开始.
然后使能SPI,进行40个控制字的传输,设置完成后,AD9851实现波形输出.
图10AD9851传输时序图3.
2STM32与DAC8554通信DAC8554输出电压与参考电压和分辨力相关,计算公式为VOUT=2*VREFL+(VREFH-VREFL)*DIN65536(3)式中,DIN为要输入给DAC寄存器的二进制数.
本文的VREFL=0,VREFH=4.
5V,根据不同输出值,可计算出16位DIN.
设置好包括DIN在内的24位控制字后,根据DAC8554设置时序,对STM32进行程序编写.
DAC8554输出的稳定性依赖于电压基准,而4路通道输出电压的准确性则与表5中的性能指标有关.
因此,实际使用中,程序中所用的DIN和VOUT关系公式需要校准.
本文采用简单的两点线性校准:设置485和64741两个16位数据作为DIN,用六位半表分别测量两个数字量的输出电压VOUT,根据两组数字量和电压值,拟合一条直线(其中b为斜率,a为截距),作为DIN和预设输出电压VOUT的实际曲线,即DIN=a+b*VOUT(4)用上述方法求出式(4)中的a和b后,即可在程序中用该公式计算DIN.
3.
3人机交互程序设计信号源人机交互采用淘晶驰X5系列5in电阻触摸屏,分辨率为800像素*480像素.
程序设计包括界面设计和通信代码编写,编程语言为类C语言,与STM32指令数据通过串口传输.
4接地和系统调试本文用到的9V1A电源适配器为单相二脚插头,没有地线.
考虑到三相不平衡时,中性线电流不能均衡为零,其中含有大量谐波分量,且中性线导体上存在与地导体压降[10],本文将电路板地与其他设备共地,令其与整个测量系统共用一个回流地点,有效减小干扰,图11为接地前后频域对比图,可以看出接地后工频干扰减小.
图11接地前后频域图完成设备连接后,进行整体系统调试.
调试内容包括:①72h不间断硬件拷机测试,确保设备长时间运行稳定性.
②测量系统与自动化设备联调,记录并测试采集数据中输出逻辑的正确性.
电压信号5min内波动不超过001mV.
经计量部门校准,电压计量0~10mV设置精度优于02mV,频率计量精度达到0.
02%.
5结束语基于氢氧发动机试验准备过程中测试需求,设计了一台人机交互式自动化信号源.
该信号源用STM32单片机进行控制,实现了2路正弦波频率信号输出,8路模拟电压信号输出,2路高低电平信号输出,每一路输出值均可自动化调整,在满足了现场需求的基础上,最小化设备,减少人工操作,节约时间成本.
信号源输出信号种类和路数较多,满足不同型号发动机试验需求.
该类自动化设备的广泛应用,是今后发动机试验的发展趋势之一.
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(下转第139页)·48·《测控技术》2021年第40卷第2期表6多方案评估打分表评价维度重要度方案1方案2(基准)方案3…方案n需求符合程度需求159519需求245555…需求n35519加权统计—1058553117技术成熟度39591进度45555成本29555加权统计—654557333结束语为提升飞机系统设计质量,减少开发时间和成本,将六西格玛精细化正向设计方法DFSS的流程和工具融入机电综合管理系统设计流程,详细阐述了设计流程中每个步骤的设计活动和表单,可以作为飞机系统需求捕获、分析、方案设计、评估使用,具有较高的参考价值和应用前景.
后续在型号应用中,将从设计、优化和验证等方面对该流程进行进一步修正和完善,最终形成系统研制指南性文件,指导设计人员.
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·931·精细化正向设计方法在机电综合管理系统的应用