一种固液动力探空火箭箭载数据采集装置

摘要

本发明是一种固液动力探空火箭箭载数据采集装置，主要完成三路单轴加速度计、测量氧化剂储箱压力的压力变送器、测量对氧化剂贮箱进行增压的高压气瓶压力的压力变送器以及增压工况转换电磁阀、辅路吹除自锁电磁阀、主路吹除自锁电磁阀输出信号的采集、处理、监测和存储。箭载数据采集电路通过控制芯片实现包括对数据采集装置的时序控制、数据采集、信号调理、开关量的转化、数据缓存、数据存储、数据远程传输等核心功能，围绕其核心功能还需具有稳压、保护、电源供电、转电控制、时钟输入等其他功能。本发明实现固液火箭发动机实际产生的推力与火箭三个轴向加速度在发动机工作阶段的全程监控、对比。

主权项

一种固液动力探空火箭箭载数据采集装置，其特征在于，包括主电路板和核心电路，模拟电路部分构成主电路板，数字部分组成核心电路板，核心电路板直插于主电路板上；两块电路板间通过双列矩形针式连接器相连接；主电路板包括总供电电路及为核心板上供电所必须的调压电路、加速度计输出转换电路、电磁阀通电情况的开关量转化电路、开关量及压力变送器输出信号的调理电路、转电控制电路、滤波电路以及外围电路；总供电电路及为核心板上供电所必须的调压电路具体为：总供电电路的电压来源于地面28V和电池28V；地面28V、电池28V分别连接一个快速二极管FR307的正极输入，两个FR307的负极端形成合并端，输出后合并为一个+28V的电压，电压信号输入至电平转换芯片WRB2405LD‑5WN1的1引脚；电容F0、F1的一端连接合并端，F0＝F1＝100uF，另一端连接WRB2405LD‑5WN1芯片的2引脚；WRB2405LD‑5WN1的4引脚为地面地，6引脚输出转换后的VCC，VCC＝+5V，4、6引脚间并联两个电容F2和F6，F2＝F6＝22uF；一路+28V的电压通过电平转换芯片PWA2415MD‑6W调压生成±12V电压；PWA2415MD‑6W的22、23引脚接+28V，9、16引脚接模拟地，2、3引脚接地面地，14、11引脚输出±12V电压；为模拟恒压源电压5V，+12V电压输入电平转换芯片REG1117‑5的IN端口，2个OUT端口并联输出5V电压，其中一个OUT端口与GND端口通过C5电容相连，C5＝10 uF；一路+28V电压输入电平转换芯片L7824的IN端口，其GND和OUT端口间并联一个C28电容和一个C29电容，C28＝10pF，C29＝0.1pF；OUT端输出+24V电压，为压力变送器供电；一路+28V电压输入电平转换芯片L7820的IN端口，其GND和OUT端口间也并联一个C26电容和一个C27电容，C26＝10pF，C27＝0.1pF，同时，GND和IN端通过C24电容相连，C24＝Cap POL 3.3uF；OUT端输出+20V，为加速度传感器供电；加速度计输出转换电路具体为：电路共有4个相同的微分控制器组成，其中3个供加速度计输出转换使用，一个为备用；将加速度计的AOP和AON输出信号通过一个微分控制器，再连接到电压测试器件上；四个微分控制器与加速度计的连接电路相同；其中一个微分控制器的连接为：加速度计的输出信号AOP经Ra1电阻后分三路，Ra1＝20KΩ，一路接入微分控制器LM158J/883的正端口3，一路接Ra2，Ra2＝20KΩ，一路接Ca1，Ca1＝100pF，同时，后两路的输出端接模拟地；加速度计的输出信号AON经Ra3电阻后，Ra3＝20KΩ，一路接入微分控制器LM158J/883的负端口2，一路通过Ra4和Ca2的并联电路后接入微分控制器LM158J/883的输出端，Ra4＝20KΩ，Ca2＝100pF；微分控制器LM158J/883的供电电压为±12V电压；电磁阀通电情况的开关量转化电路具体为：采用用光电耦合器件TPL521‑1来实现对电磁阀通电情况的转化；其中一路阀门开关量检测为：电磁阀的正端DHa_DY+通过R31电阻后分为3路，R31＝2KΩ，一路输入TPL521‑1的1端口，一路输入R37，R37＝1MΩ，一路输入C14，C14＝0.1uF；电磁阀的负端DHa_DY‑也分为三路，一路输入TPL521‑1的2端口，一路接R37的另一端，一路接C14的另一端；TPL521‑1的3端口接地面地，4端口后分为两路，一路输出I/O量，I/O量通过控制芯片的PB[0:2]进行监测，一路经R34接3.3V电压，R34＝470Ω；其他的两路阀门开关量检测相同；开关量及压力变送器输出信号的调理电路具体为：该调理电路由7个输入支路组成，包括3路电磁阀正电流信号：DHa_DY+、DHb_DY+、DHc_DY+，和4路压力传感器电流信号Ap.01、Ap.02、Atemp.1、Atemp.2；DHa_DY+、DHb_DY+、DHc_DY+、Ap.01、Ap.02、Atemp.1、Atemp.2信号分别经过电阻Rm1、Rm3、Rm5、Rm7、Rm9、Rm11、Rm13分压后，Rm1＝Rm3＝Rm5＝Rm7＝Rm9＝Rm11＝Rm13＝200KΩ，引出每一路得到分压后的信号ARM.AD[0:6]，ARM.AD[0:6]信号随后直接入控制芯片的PA[0:6]；引出的另外每一路分别经过Rm2、Rm4、Rm6、Rm8、Rm10、Rm12、Rm14接数字地，Rm2＝Rm4＝Rm6＝Rm8＝Rm10＝Rm12＝Rm14＝20KΩ；转电控制电路具体为：由光电耦合器件TLP521‑1、集成在芯片74LCX74中的D触发器和反相器、MCP1401和JZC‑078型电磁继电器组成；“转电控制信号Conv_Ctrl”通过R75电阻后分为3路，R75＝2.7KΩ，一路输入TPL521‑1的1端口，一路输入R76，R76＝750Ω，一路输入C13，C13＝0.1uF；“地面供电信号Ctrl_GND”也分为三路，一路输入TPL521‑1的2端口，一路接R76的另一端，一路接C13的另一端；TPL521‑1的3端口接地面地，4端口输出两路，一路为INT信号，一路经R72接3.3V电压，R72＝2kΩ；同理，“复位与紧急断电控制信号RST_Ctrl”经上述相同电路模块输出INT信号；光电耦合器输出端的INT信号为地面供电转为箭载电池供电信号，在它未变化前采集并发送状态，信号变化后为采集并存储状态；INT端与控制芯片的62引脚PB9/T4C4端口相连，高电平对控制芯片产生中断；转电控制电路具体为：“转电控制信号Conv_Ctrl”与“复位与紧急断电控制信号RST_Ctrl”分别经光电耦合器和反相器连接D触发器的时钟脉冲端CLK和清零端其中，“转电控制信号”支路有一个反相器，“复位与紧急断电控制信号”支路有两个反相器，这两路信号分别与地面控制设备连接，由地面设备控制“转电控制信号”、“复位与紧急断电控制信号”、“地面供电信号”三种信号的输出，对箭载电路进行控制；3.3V电压接入D触发器的D端和端；同时，3.3V电压为D触发器供电，D触发器接数字地；D触发器的Q输出端接MCP1401芯片的IN引脚；MCP1401芯片中VDD引脚接VCC电压，GND引脚接数字地，OUT/引脚对应于电磁继电器的CtrlA引脚，同时经R74电阻接入LED灯的一端，R74＝1KΩ，LED灯的另一端为VCC；JZC‑078芯片中的CtrlB引脚接VCC，BO1引脚、BO2引脚接地面28V，A1引脚、A2引脚接电池28V；滤波电路具体为：3.3V电压和数字地间并联电容F01、F02、F03和F10，F01＝F02＝F03＝0.1uF，F10＝10 uF；通过AD7656芯片的6个模拟通道向芯片内部输入模拟信号，其中ADC.VIN[1:4]为加速度计信号，ADC.VIN[5:6]为压力变送器信号；预留了一个加速度计输出的采集通道ADC.VIN4；经微分控制器的加速度信号ADC.VIN[1:4]分别经Cv1、Cv2、Cv3、Cv4接模拟地，Cv1＝Cv2＝Cv3＝Cv4＝30pF；ADC.VIN5一端接Cv5另一端接电阻Rv5，ADC.VIN6一端接Cv6电阻Rv6，Rv5＝Rv6＝500Ω，Cv5＝Cv6＝30pF；Rv5、Rv6、Cv5、Cv6的另一端接模拟地，地面地分别经Rg1、Rg2与模拟地、数字地相连；其中Rg1＝Rg2＝0Ω，故AGND＝SGND；外围电路具体为：选用J30J‑31TJW‑J、J30J‑25ZKW和J30J‑9TJW‑J连接器；采用高密矩形连接器双列12针式连接器和双列10针式连接器；J30J‑31TJW‑J的1、2、17、18引脚接电池28V电压，13至16引脚接地面28V电压，28至31引脚接信号地，7、8引脚接485端口，4、5引脚接“地面供电信号”端口，20引脚接“转电控制信号”端口，21引脚接“复位与紧急断电控制信号”，22至27引脚接电磁阀正负电流信号；J30J‑25ZKW的1至6引脚接模拟地，7、8、9引脚接20V电压，10、11引脚接24V电压，12、13、24、25引脚为压力传感器信号Ap.01、Ap.02、Atemp.1、Atemp.2的输入端，14至21引脚为加速度计信号AOP[1:4]和AON[1:4]的输入端，22、23引脚为预留接口AOP[5:6]；J30J‑9TJW‑J的8、6、7、9引脚定义为串行时钟线SCLK、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和eeROM，分别经过Rp1C、Rp1A、Pp1B、Rp1D电阻对应于核心板上的25LC256芯片的SCK、SO、SI、引脚，Rp1A＝Pp1B＝Rp1C＝Rp1D＝33Ω，同时，SCK支路上的Rp1C电阻两端同时又接Cp1、Cp2电容，Cp1＝Cp2＝100pF，电容的另一端接数字地；其1、2引脚接数字地，4、5引脚接3.3V电压；双列12针式连接器Header 12×2的1、3引脚分别接VCC、3.3V电压，2、24引脚接数字地，5、7、9引脚接电磁阀经光电耦合器后的I/O监测量；11、13、15、17引脚对应于下述核心板上的25LC256芯片的6、7、8、9引脚；19引脚接INT信号；21、23引脚分别接控制芯片的TEST、RST引脚；4、6、8引脚接USART的TEN、485A、485B端口，同时，485B通过R26电阻接3.3V电压，R26＝2KΩ，485A通过R25电阻接数字地，R25＝2KΩ；10至22的偶数引脚接控制芯片的PA[0:6]引脚；双列10针式连接器Header10×2的1至19的奇数引脚均接模拟地，2至12的偶数引脚接AD采集芯片的ADC.VIN[1:6]引脚，16引脚接5V模拟电压；核心电路板包括以AD7656芯片为核心的数据采集电路、以25LC256芯片为核心的数据存储电路、以MAX3485串口通信芯片为核心的数据传输电路、电源供电电路、滤波电路、核心控制电路以及外围电路；数据采集电路具体为：在该电路中，由控制芯片的PA10引脚控制AD转换开启控制端/S SEL引脚直接与数字地相连，芯片工作在硬件选择模式下，由控制芯片来选择AD芯片的工作模式；SER/SEL引脚与数字地相连，使数据口选择并行接口模式；数据传输方式的控制引脚引脚分别与控制芯片的PB6、PB7、PB8引脚相连，由控制芯片向这三个管脚写入数据，从而控制AD芯片数据口的读写状态；即当和为0，状态任意时，转换结果输出在并行数据总线上，当和为0，状态任意时，DB[15:0]将数据写入片上控制寄存器；字/字节输入选择引脚引脚与数字地直接相连；AD芯片直接利用并行数据线DB[15:0]与控制芯片的16路I/O接口接收转换数据，用于16位加速度计输出信号的传输，模数转换后的数据以并行方式传输到控制芯片中；3个CONVST引脚相连并与控制芯片的PA9引脚直接相连，当引脚从低电平变为高电平时，所选ADC对的取样保持开关从采样切换到保持，然后便启动转换，由控制芯片控制六个模拟通道ADC.VIN[1:6]同时进行采样；由于REFIN/REFOUT引脚接地，与控制芯片PB8引脚相连，模拟输入范围选择引脚RANGE引脚与控制芯片的PA11引脚相连，由控制芯片分时控制AD芯片的内部基准电压2.5V或芯片的读写状态，得到下一次转换的模拟输入范围为±5V或±10V；RESET引脚经R21电阻接数字地，R21＝100kΩ，ADC.RST引脚与控制芯片的一个I/O口相连，通过控制芯片给ADC.RST引脚一个高电平的复位信号，从而实现对AD芯片的复位操作；REFIN/OUT、REFCAPA、REFCAPB、REFACPC引脚分别经C6、C7、C8、C9电容接模拟地，C6＝C7＝C8＝C9＝1.0pF；所有的ADGND引脚均接模拟地，VGND引脚接数字地，所有的AVCC均接模拟电压，VDD、VSS引脚分别接入±12V电压，DV_cc引脚输入数字电压，Vdriver引脚输入3.3V电压；BUSY引脚连接控制芯片PA8引脚；数据存储电路采用25LC256芯片，25LC256芯片的、SCK、SO、SI引脚与控制芯片PB[12：15]引脚直接相连，由控制芯片直接提供存储芯片的时钟输入、控制存储芯片的输入输出以及片选线；芯片的VCC、和引脚与3.3V电源相连，VSS接数字地；芯片上电后一直保持高电平，在对存储芯片的读写过程中，不会暂停通信去响应其他中断；数据传输电路具体为：采用MAX3485串口通信芯片为核心，通过串口芯片MAX3485进行电平转换，从而实现对数据的远程传输；串口通信芯片MAX3485与控制芯片的USART接口相连接，控制芯片的PB10、PB11管脚的复用功能为TXD3、RXD3，将这两个引脚连接到MAX3485芯片的RO、DI管脚，作为数据的输入和输出线；和DE引脚经100KΩ电阻接数字地，控制当前串口通信的输出选择；GND引脚接数字地；A和引脚作为USART.485接口经R25电阻相连，R25＝120Ω；电源供电以及滤波电路具体为：VCC输入电平转换芯片WRA0512CS‑2W得到±12电压，其中WRA0512CS‑2W的2引脚，1引脚接数字地，且2引脚与1引脚通过C19相连，C19＝10pF；6、8引脚分别输入±12电压，7引脚接模拟地；同时，±12电压分别经过C16、C17电容接模拟地，C16＝C17＝1.0pF；+12V电压输入电平转换芯片MC78M12BDTRK的IN引脚，输出+10V电压，‑12V电压输入电平转换芯片MC79M12BDT的IN引脚，输出‑10V电压；MC78M12BDTRK和MC79M12BDT的GND端都接模拟地；同时，+12V电压输入电平转换芯片REG1117‑5输出5V模拟电压；REG1117‑5的IN引脚接+12V，两个OUT输出端口并联输出5V模拟电压，同时OUT端口与GND端口通过C5电容相连，C5＝10pF；将5V模拟电压通过核心电路板上的LC网络向AD芯片提供ADC内核电源电压AV_cc、DV_cc；在LC滤波电路中，5V电压经L2电感输出两路，L2＝22uH，一路为DVCC，一路经C18电容接数字地，C18＝1.0pF；5V电压经L1电感输出两路，L1＝22uH，一路为AVCC，一路经C11、C12、C13电容并联后接模拟地，C11＝C12＝C13＝1.0pF；同时，AVCC经F9电容接模拟地，F9＝0.1uF；一路VCC输入电平转换芯片REG1117‑3.3输出3.3V电压；REG1117‑3.3的IN引脚和GND引脚通过C0电容相连，C0＝10pF，2个OUT引脚并联后分为两路，一路输出3.3V电压，一路经C4接数字地，C4＝10pF；3.3V电压和数字地之间并联8个0.1uF的电容；控制芯片的直接控制的端口包括压力和电磁阀传感器的信号输入、AD采样芯片的数据接口及AD芯片的控制端、EEPROM的连接端、串口通信芯片的连接端、JTAG连接端、晶振输入连接端、USART连接端；芯片的复位操作均由控制芯片进行控制；控制芯片的复位引脚为采用RC电路作为系统的复位电路，该引脚同时与双列12针式连接器相连，又经R4电阻接3.3V数字电压，R4＝10KΩ，又经C3电容接数字地C3＝0.1pF；在实际电路运行中，引脚在连接器上空置时，引脚通过上拉电阻保证复位端处于高电位；当需要对控制芯片进行复位操作时，引脚通过连接器与数字地相连，从而实现对控制芯片的复位操作；共使用四片数字芯片，分别为控制芯片STM32F103RB、AD芯片AD7656、串口通信芯片MAX3485以及调试使用的存储设备25LC256；其中，控制芯片、AD芯片和存储设备均需要时钟输入；控制芯片选用外部时钟输入，其余芯片均直接由控制芯片输入时钟；控制芯片的外部时钟输入端口的OSCIN、OSCOUT分别接入6MHz晶振两端，作为单片机的外部晶振；存储芯片25LC256的SCK引脚为外部时钟输入引脚，控制芯片的SPI.SCK引脚与之相连，为存储芯片提供时钟输入；控制芯片可使用自带功能对外部晶振输入进行倍频处理，从而提高系统晶振频率；复位时，控制芯片内部的8MHz的RC振荡器被选为默认时钟，随后能够切换为外部的、具失效监控的时钟；当检测到外部时钟失效时，系统将自动隔离外部时钟，并切换到内部的RC振荡器；同时，控制芯片可使用自带功能对外部晶振输入进行倍频处理，从而提高晶振频率串行EEPROM芯片25LC256的最大时钟速率为10MHz，其SCK引脚为外部时钟输入引脚，控制芯片的PB13引脚与之相连，为存储芯片提供时钟输入；核心板上的外围电路包括主电路板和核心板之间的连接器以及JTAG接口；核心板上的矩形连接器双列12针式连接器和双列10针式连接器与主电路板上的连接器相对应；标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO分别为模式选择、时钟输入、数据输入、数据输出，与控制芯片的PA13、PA14、PA15、PB3引脚相连；在本电路中，除以上四个接口外，还有JTAG的引脚与控制芯片引脚相连，作复位之用；一个接数字地的引脚；一个经R20电阻接3.3V电压的引脚，R20＝100KΩ。