無線氣囊溫壓傳感系統(tǒng)設計
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0 引言
飛行器氣囊內部置有爆炸性藥體，藥體引燃后會迅速產生大量氣體，氣體膨脹使氣囊展開[1]。氣囊使用柔性材料[2]制成，內部氣體膨脹過程中溫度和壓力急劇上升，監(jiān)測氣體的溫度和壓力，可為氣囊設計、性能分析、安全性監(jiān)測提供依據[3-5]。
國外普遍采取在氣囊內部埋設傳感器的方式，實現對氣囊內部氣體溫度和壓力的測量。本設計提出一種氣囊溫度和壓力測量系統(tǒng)，由傳感器、發(fā)送器和接收器組成，其中傳感器和發(fā)送器布置在氣囊內部，可感應氣囊內部氣體的溫度和壓力，并將測量數據無線輸出[6]。接收器布置在氣囊外部，可通過無線方式控制發(fā)送器工作，并接收測試數據。該系統(tǒng)的傳感器和發(fā)送器采取微型化設計[7]，可以塑封在氣囊柔性材料中而不影響氣囊展開，在氣囊工作過程中可對內部氣體的溫度和壓力進行準確測量，為掌握氣囊內部狀態(tài)、改進氣囊裝置設計提供測試依據，具有重要的研制意義。
圖1 氣囊溫壓傳感系統(tǒng)組成框圖
1 系統(tǒng)組成
氣囊溫壓傳感系統(tǒng)包括傳感器、發(fā)送器和接收器，傳感器由溫度傳感器和壓力傳感器組成，分別用于測量溫度和壓力。發(fā)送器可采集傳感器信號，經運算處理后無線發(fā)送數據，并且可以接收、響應外部接收器發(fā)出的控制指令。接收器布置在氣囊外部，可以接收發(fā)送器輸出的測試數據，完成測量。系統(tǒng)框圖如圖1所示，各部分的組成及功能如表1所示。
表1 系統(tǒng)各模塊功能匯總表
模塊名稱 | 所屬裝置 | 安裝位置 | 實現功能 |
溫度傳感器 | 傳感器 | 氣囊內 | 溫度感應 |
壓力傳感器 | 壓力感應 | ||
電池模塊 | 發(fā)送器 | 氣囊內 | 供電 |
放大模塊 | 小信號放大 | ||
采集模塊 | AD轉換 | ||
核心處理器 | 運算、編碼、響應指令 | ||
存儲模塊 | 存儲參數 | ||
調制解調模塊 | 信號調制解調 | ||
功放模塊 | 功率放大 | ||
天線 | 無線信號發(fā)送接收 | ||
電源模塊 | 接收器 | 氣囊外 | 供電 |
中心處理器 | 控制指令、解算、編碼 | ||
通信模塊 | 數據通信 | ||
存儲模塊 | 參數、數據存儲 | ||
調制解調模塊 | 信號調制解調 | ||
天線 | 無線信號發(fā)送接收 | ||
功放模塊 | 功率放大 |
2 溫度測量
氣囊溫度傳感器選擇鉑電阻式[8-9]測量原理，布置在氣囊內部，采取小體積、輕量化設計。溫度傳感器的最高標定溫度為200℃，測量總精度為±0.5℃。
溫度傳感器由外殼、電纜、電連接器組成，敏感元件為Pt100鉑電阻[10]。傳感器的外形結構如圖2所示。
圖2 溫度傳感器外形圖（單位mm）
3 壓力測量
壓力傳感器用于測量氣囊內部氣體靜態(tài)壓力，量程為500kPa。選擇硅壓阻式測量原理[11-13]，最高工作溫度可達250℃。
該硅壓阻式壓力傳感器的敏感元件由硅材料制成，其有效感壓面積直徑只有2mm。通過向硅片中擴散入雜質形成四個臂的惠斯通電橋，電橋將壓力信號轉換為電壓信號。傳感器的敏感元件裝在帶有微型螺紋的外殼中，直徑僅為5mm。通過改變常規(guī)的平面硅膜片形式，采用一種特殊形狀的硅膜片，可以承受250℃高溫，同時在外殼中還封裝有電橋平衡元件和溫度補償元件，在微小空間里實現了傳感器的溫度補償。傳感器的外形如圖3所示。
圖3 壓力傳感器外形圖
4 發(fā)送器設計
4.1 供電設計
發(fā)送器布置在氣囊內部，可與外部設備無線通信，需要自帶電源。發(fā)送器供電選用3.3V輸出的微型鋰電池，外形尺寸不大于φ30mm、厚度不大于5mm，電池容量不小于450mAh。發(fā)送器采用低功耗設計，不工作情況下為待機模式，功耗為微安級；當接收到啟動信號后，進入工作模式，采集狀態(tài)下功耗不大于20mA；當向外發(fā)射電磁信號時，功耗最大，峰值不超過100mA。以最大功耗持續(xù)工作狀態(tài)計算，400mAh鋰電池[14]可保證系統(tǒng)連續(xù)工作4h。
圖4 信號放大鏈路圖
4.2 信號放大
選用高精度、低噪聲的儀表放大器LTC2053，通過設置增益將傳感器輸出的毫伏級電壓信號放大至AD采集模塊輸入電壓范圍內。其中溫度傳感器輸出曲線為非線性，在放大電路中加入反饋電阻，可對輸出曲線進行初步非線性修正。
4.3信號采集
圖5 信號采集鏈路圖
信號采集模塊選用16位AD轉換器AD7705，以達到較高信號分辨率。該AD轉換器最高采樣速率為達到10MIPS，可在氣囊快速展開過程中進行實時性測量。該AD轉換器最大功耗不到1mW，待機電流不到8μA，為微功耗器件，可使用鋰電池長時間可靠工作。AD7705具有高速SPI接口，可快速向核心處理器傳輸數據。溫度傳感器和壓力傳感器輸出的模擬電壓經過AD轉換后，轉變?yōu)閿底至克腿牒诵奶幚砥鬟M行數據處理。
圖6 數據處理鏈路圖
4.4線性化處理
選擇STM32單片機作為核心處理器，實現對數字量信號的線性化處理。該單片機最高工作頻率為72MHz，具有多級流水數據處理機制和單周期硬件乘法器，可快速運算、處理數據。該單片機內部集成512KB的Flash存儲器和64KB的 SRAM存儲器，可為程序代碼和運算數據提供充足的存儲空間。STM32單片機為3.3V系統(tǒng)并且具有低功耗模式，可使用鋰電池長時間可靠工作。使用標準校準裝置對溫度傳感器和壓力傳感器進行輸出校準，將校準數據與采集到的數字量信號進行比對，以得到曲線修正系數。單片機將修正系數存入數據存儲器，并且隨時調用并參與運算。數據存儲器選用非易失性EPROM存儲器，可與核心處理器通過I2C總線通信，實現數據的讀取。
4.5編碼組幀
經過線性修正的數字量信號需要進行編碼組幀，以一定的幀格式輸出，以提高信號傳輸的可靠性。
數據以一定的波特率傳輸，波特率不可太低因為會影響數據傳輸速率，同時波特率也不可太高因為容易造成傳輸出錯，波特率選擇9600bps。數據按照字節(jié)進行編碼，每個字節(jié)為10位，1位起始位，8位數據位，1位停止位，如表2所示。
表2 數據編碼格式表
起始位 | 數據位 | 停止位 | |||||||
0 | D0 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 | 1 |
數據經過編碼后需要進行組幀，組幀采取表3格式，以提高多組數據連續(xù)發(fā)送過程中的可靠性。數據幀傳輸過程中，幀內各字節(jié)間連續(xù)發(fā)送，無時間間隔。
表3 數據幀格式表
字節(jié)序號 | 名稱 | 內容 |
1 | 幀頭 | 55H |
2 | 幀頭 | AAH |
3 | 數據長度 | N-4 |
4～N-1 | 數據 | / |
N | 校驗和 | / |
4.6數據傳輸
本測試系統(tǒng)的通信距離較短，而且產品尺寸受限，選擇FSK調制方式[15-17]可以極大減小系統(tǒng)體積，并且可以滿足通信要求。
圖7 FSK調制波形圖
數字信號經過FSK調制后轉變?yōu)槟M波形，為了滿足傳輸距離要求需要對調制信號進行功率放大。常用的集成化信號調制解調模塊可以直接輸入數字量信號，對信號進行FSK調制和解調，但是輸出功率較小，通常不超過16dBm（約40mW），需要進行功率放大。信號功率放大可使用高頻功率放大器進行信號放大。功率放大電路的基本框圖如圖8所示。
圖8 功率放大電路的基本框圖
4.7無線發(fā)送
貼片振子天線具有體積小、重量輕、精度高、結構簡單、性能可靠的優(yōu)點，為了滿足微型化設計要求，發(fā)送器和接收器的天線采用貼片振子天線[18]。貼片振子天線的水平面波束寬度、波束偏斜及方向圖一致性決定了覆蓋區(qū)方位向的性能好壞。每個扇區(qū)天線在最大輻射方向偏離±60o時到達覆蓋邊緣，需要切換到相鄰扇區(qū)工作。在±60o的切換角域，方向圖電平應該有一個合理的下降。電平下降太多時，在切換角域附近容易引起覆蓋盲區(qū)掉線；電平下降太少時，在切換角域附近覆蓋產生重疊，導致相鄰扇區(qū)干擾增加。設計中使用的貼片振子天線仿真模型如下圖9所示，可以看出該天線可滿足±60o覆蓋區(qū)要求。
圖9 天線仿真結果
5 接收器設計
5.1 FSK解調
接收器與發(fā)送器之間進行數據傳輸時，按照對應的FSK調制解調方式實現通信對接。
FSK信號調制即頻率鍵控是利用數字基帶信號控制載波的頻率來傳輸信息的一種調制方式。FSK信號在一個碼元周期內的波形表達式如公式1所示，可用頻率f1的載波來傳輸“1”碼，用頻率為f2的載波來傳輸“0”碼。
（1）
因此FSK調制可用雙振蕩器f1和f2產生，FSK信號的解調方式有非相干解調，如圖10所示。FSK的非相干解調系統(tǒng)[19-20]，由兩個帶寬相同的帶通濾波器對f1和f2起到分路作用，用以分開兩路形成兩路ASK信號，上支路信號為f1函數，下支路信號為f2函數，經包絡檢測后分別取出它們的包絡。將兩路濾波后的包絡信號相減，再經過抽樣判決，根據調制規(guī)則，當判決值大于等于0時，判決為1，否則判決為0。
圖10 FSK非相干解調系統(tǒng)
5.2與上位機通信
接收器位于飛行器氣囊外部可與上位機進行有線對接，使用RS485總線進行數據通信。
圖11 試驗測試系統(tǒng)圖
6 試驗測試
如圖11所示把溫度傳感器和壓力傳感器放置于保溫箱內部，保溫箱可以設置溫度。試驗過程中使用精度等級為±0.2℃的標準溫度傳感器監(jiān)測保溫箱溫度。保溫箱外部的加壓設備可以給壓力傳感器提供工作壓力。加壓設備的精度等級為0.05%FS，量程為5MPa。發(fā)送器放置在保溫箱外部，與傳感器有線連接。接收器與發(fā)送器保持2m距離，與上位機電腦通過串口連接。
試驗過程中，從-20℃到+60℃每隔20℃設置一個溫度點，在每個溫度點保溫30min，以保證傳感器溫度穩(wěn)定。在每個溫度下使用溫度傳感器測試溫度，通過加壓設備給壓力傳感器施加一個進程和回程壓力，經發(fā)送器和接收器傳輸后，在上位機電腦上通過軟件讀取測試數據。溫度和壓力測試數據如表4所示。經計算，溫度傳感器的準確度達到了±0.5℃。壓力傳感器的非線性小于0.2%FS，全溫度區(qū)間范圍內溫漂系數小于0.05%FS/℃。溫度和壓力測試技術指標均達到了較高水平，測試效果良好。
表4 溫度壓力測試數據表
環(huán)境 溫度 ℃ | 溫度 測試值 ℃ | 壓力測試值kPa | |||||||
-20 | -19.5 | 0.25 | 100.35 | 200.6 | 300.9 | 400.6 | 500.6 | 非線性： | 0.18%FS |
0.25 | 100.35 | 200.59 | 300.89 | 400.59 | 500.6 | ||||
0 | 0.4 | 0.2 | 100.3 | 200.5 | 300.8 | 400.55 | 500.55 | 非線性： | 0.16%FS |
0.2 | 100.29 | 200.5 | 300.79 | 400.55 | 500.55 | ||||
20 | 20.4 | 0.2 | 100.25 | 200.5 | 300.75 | 400.5 | 500.5 | 非線性： | 0.15%FS |
0.2 | 100.25 | 200.49 | 300.74 | 400.49 | 500.49 | ||||
40 | 40.5 | 0.19 | 100.24 | 200.5 | 300.75 | 400.49 | 500.49 | 非線性： | 0.15%FS |
0.19 | 100.24 | 200.5 | 300.75 | 400.49 | 500.49 | ||||
60 | 60.4 | 0.19 | 100.24 | 200.48 | 300.7 | 400.45 | 500.45 | 非線性： | 0.14%FS |
0.19 | 100.24 | 200.48 | 300.7 | 400.45 | 500.45 | ||||
7 結束語
無線氣囊溫壓傳感系統(tǒng)可以布置埋入氣囊內部，在不影響氣囊展開的前提下對氣囊內部氣體的溫度和壓力進行測量，可通過外部設備無線接收數據，并將測量結果上傳至上位機。通過搭建的試驗測試平臺，在-20℃到+60℃溫度區(qū)間內，經測試該系統(tǒng)溫度測量精度達到±0.5℃，壓力測量總精度小于0.2%FS，測試效果良好。
將該系統(tǒng)布置于氣囊內部，可監(jiān)測氣囊展開過程中內部氣體狀態(tài)，對研究氣囊展開過程、監(jiān)測氣囊工作狀態(tài)、改進氣囊性能具有重要意義。
（注：本文來源于電子產品世界2020年11月期）
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