遠距離拉壓力、溫度數據采集系統技術方案

發布時間：2019-8-16??????發布人：澤天公司??????點擊：

1、項目背景

本項目來源于XX大學，用來完成特殊環境下對xxx上的拉力、差壓和溫度數據的遠距離采集（注:為保密要求,本方案為刪節版本）。

2、技術要求

2.1 拉力傳感器

測量范圍：0～1.8t，（安全過載2.5t，－70度正常工作）；輸入電壓：20～32VDC；輸出：4～20mA；精度：≤0.5%FS；重量：≤2kg，在滿足要求的前提下盡可能的輕。余度要求：雙余度（兩套應變片、分別信號輸出）。過載保護：選用合適過載保護結構（如Z型過載保護等），防止斷裂事故；連接方式：上下吊環；外形尺寸：在滿足使用要求的前提下盡量小。可靠性工作要求：MTBF>2000h。

2.2 溫度壓差傳感器

溫度測量范圍：-100℃～＋80℃；差壓測量范圍：0～2KPa，輸入電壓：20～32VDC；輸出：4～20mA；精度：≤0.5%FS；重量：盡量小于0.4Kg。

2.3 采集器

1) 采集通道數：十二路拉力信號；6路壓差信號；6路溫度信號；2) 測量精度：≤±0.5﹪FS；3) 電源電壓：20～32VDC(電源供電24VDC)；4) 通道數據采樣率：10Hz；5) 輸出信號：RS-422總線；6) 可靠性工作要求：MTBF>1200h。

工作環境：低溫低氣壓要求：3KPa, －70度環境下正常工作；高溫要求：使用溫度100度，氣壓在3KPa～常壓范圍內正常工作；臭氧濃度：15ppm，10天老化無影響；保持溫度范圍根據內部設備需要而定；

2.4 電纜工作環境：低溫低氣壓要求：3KPa, －70度環境下正常工作；臭氧濃度：15ppm，30天老化無影響；紫外老化：140W功率下持續10天老化無龜裂或者脆化；

2.5 連接件：采用機載防松航空插頭；安裝要求：安裝牢固，不會發生脫落等情況；低溫低氣壓要求：3KPa, －70度環境下安裝牢固，數據傳輸不受影響；（溫度范圍要求：－70℃～80℃范圍溫度交變信號傳輸正常；

3 引用文件

GB7665-1987傳感器通用術語；GJB152A-1997軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量；GJB150.4-84軍用設備環境試驗方法低溫試驗；GJB150.3-84軍用設備環境試驗方法-高溫試驗；GJB150.2-86軍用設備環境試驗方法-低氣壓試驗；GJB150.18-86軍用設備環境試驗方法-沖擊試驗。

4 研制指導思想

遠距離采集系統用于獲取xx工作期間的環境參數信息，在整個工程中具有重要的作用。從技術選擇方面，本項目采用國內外成熟技術，一方面降低了技術實現的風險，同時有利于加快研發進度，減少研發成本。傳感器采用成熟的壓力敏感芯體作為壓力感測元件，采取成熟電路對溫度補償和非線性校正，使傳感器的溫漂和非線性滿足要求。另一方面，采用集成度高的元器件，降低實現的復雜度，提供系統的可靠性，采用帶ADC微處理器對信號進行處理、存儲，接受外部控制信號和命令，完成系統與采編器的通訊和數據傳輸。最后，加強質量控制，強化項目過程管理。項目相關的元器件要進行二次篩選，外購件，外協件按照相關流程加強控制。

5、總體技術方案

該系統主要由6路拉力傳感器、6路溫度差壓傳感器、一個數據采集器組成。6路拉力傳感器和6路溫度差壓傳感器分別通過獨立的連接器與數據采集器相連，采用4～20mA電流信號完成信號的傳輸。在采集器內部，對信號的電流信號調理，轉換成適合AD采集的電壓信號。信號完成采集、處理后，通過RS-422接口把數據傳輸到相關設備上。

數據采集器采用保溫措施，使其工作的環境溫度保持在在－45℃～85℃范圍內。接插件選用航天用高密度螺紋式電連接器，接觸件為焊接式，螺紋連接，體積小，重量輕，節點密度高，具有防誤插功能。抗震動，耐沖擊性能優良，性能指標先進。廣泛應用在戰略戰術武器系統，航空航天運載系統中。尤其適應有體積限制和重量要求的使用場合。電纜選用聚四氟乙烯輕型電纜，該電纜使用溫度為-65～200℃，采用鍍銀銅芯和鍍銀圓銅線編織屏蔽。

5.1 拉力傳感器

拉力傳感器的主要技術指標如下：測量范圍：0～1.8t，（安全過載2.5t，－55度正常工作）；輸入電壓：20～32VDC；輸出：4～20mA；精度：≤2%FS；重量：≤2kg；余度要求：雙余度（兩套應變片、分別信號輸出）；過載保護：采用Z型過載保護，防止斷裂事故；連接方式：上下吊環；可靠性工作要求：MTBF>2000h。

工作環境：低溫低氣壓要求：3KPa,-55度環境下正常工作；使用溫度壓力范圍：－55℃～60℃；3KPa～常壓；線性度：使用段0～1t保證線性度；臭氧濃度：15ppm，3天老化無影響；防水要求：參照國軍標要求；振動：按航標HB5830.5-84；

5.2 溫度差壓傳感器

針對用戶要求，確定采用某型號高精度微差壓傳感器制作壓差傳感器，其主要指標如下：滿量程輸出100mv（5V供電），工作溫度-55℃～100℃，精度：0.1%，零點、量程溫度影響：±0.05%FS/℃；產品整體外型尺寸≤40mm×30mm×65mm，其重量小于100g。差壓傳感器采用塔型管路引壓，變送器電路一體封裝在產品盒內，兩芯電纜出線，4～20mA長距離傳輸。

5.2.1 壓力傳感器工作原理

傳感器采用澤天傳感敏感芯體，其測壓原理可看為歐姆定律與壓阻效應的總成，根據歐姆定律和壓阻效應，電阻變化通過四個擴散硅電阻組成惠斯登壓敏全橋，給全橋一定的電壓或電流激勵，可以將彈性材料傳遞的壓力轉換為與壓力成近似線性關系的差模電壓輸出。

5.2.2壓力傳感器電路設計

壓力傳感器采用澤天傳感成熟電路設計，該電路已在多個工程型號上應用。主要包括電源電路、恒流源電路、傳感器信號調理電路等電源模塊XX組成整體電路的穩壓電源，R1、R2為比例調節電阻，通過R1與R2阻值改變從而得到5.3V左右的電壓值，該電壓為后級模塊工作電壓。電源模塊XX具有以下特點：

a. 該器件乃符合美軍標標準生產的集成電路，產品質量有保證，并且芯片體積小；b. 該器件的輸出電壓可以任意調整，使用方便，并且具有輸出短路保護的功能；c. 該器件的紋波抑制比達到80dB，能夠輸出穩定的電壓；并且在-55℃~125℃范圍內，其輸出電壓變化在±0.5%，有利于傳感器供電。

恒流模塊為給傳感器供給1mA電流的電流模塊，R3為電流調節電阻。其具有如下特點：a. 該器件的輸出電流可以任意調整，使用方便，并且具有輸出短路保護的功能；b. 該器件的在其正常工作溫度范圍-45℃～125℃，溫度漂移值約為±25PPM/℃。

調理專用芯片的作用是對傳感器輸出的mv信號進行放大、修正、補償。其功能特點如下：a. 不需要外加微調元器件；b. 通過PC控制的傳感器校準、補償，能校正傳感器線性曲線以及補償溫度特性；c. 高達±0.1%FS的精度；d. 使用溫度范圍為-50℃～150℃。

5.2.3溫度傳感器的設計

溫度傳感器采用Pt1000鉑電阻溫度傳感器，該型溫度傳感器測溫精度高，經過后端放大調理后一般優于0.5度，長期穩定性重復性好，采用裝配式鉑電阻，其主要由外保護管、鉑電阻、和氧化鋁裝配而成，引出線采用三線制，三根導線截面積和長度相同，避免導線電阻的影響，消除測量誤差。該型溫度傳感器重量約為10g。溫度傳感器信號采用1米長的電纜與溫度差壓傳感器連接，溫度變送電路和差壓傳感器放在一起，信號輸出和差壓傳感器共用一個接插件，信號采用4～2mA電流信號傳送。在器件選型上，電阻、電容、三極管等均采用國產的軍標級器件，組件采用進口高質量芯片，并嚴格進行老化篩選，剔除不合格產品。我們對該型電路進行了低溫試驗，在-55℃下仍能保證正常。該套電路已成功應用在相關軍用工程上，經過了長期考核，能有效在-55℃環境下長期工作。

5.2.4傳感器可靠性設計

公司有多人多年從事壓力傳感器的研究，具備良好的適宜傳感器研制的基礎條件和技術能力。整個產品從電路、結構、工藝等方面進行設計、保證，因此產品具有高精度與高質量的可靠性。

1) 傳感器采用進口高可靠性敏感芯體，已在多個型號上應用。該芯體電阻阻值一致性好，靈敏度高，測試精度高，長期穩定性好，能進行寬范圍溫度的可靠測試。

2) 電路廣泛采用軍品級模擬元器件，具有極高的可靠性系數。

3) 電路設計充分考慮了傳感器的EMC性能，并對電路進行了抗電磁干擾設計：

a. 在電源輸出端采取LC濾波處理，保證了電源能夠穩定工作；b. 在輸出端采取了RLC低通濾波處理，截止頻率為10K。c. 將電路放置在密封金屬外殼內，然后采用屏蔽電纜出線，使電路能夠禁受輻射干擾。

4) 產品結構材料選用1Cr18Ni9Ti不銹鋼一體化設計，因此其能長期工作在強腐蝕、大振動及沖擊的飛行環境中。

5.3 數據采集器

5.3.1 結構設計

數據采集器是整個測量系統的一個重要組成部分，用于對從傳感器輸出的信號進行調理、采集，處理和傳輸。組成采集器的所有元器件都選用軍品等級，且都能在-45～125℃溫度范圍內正常工作。采用RS-422接口來傳輸數據。數據采集器外形尺寸為140×120×90。

5.3.2 保溫與溫度控制

數據采集器帶有溫度調控制功能，內部采用可加熱的保溫膜緊貼采集盒的內壁，采集器的溫度測量電路實時監測采集盒內的溫度，當溫度低于－25度時，采集器啟動的溫度控制功能對保溫膜進行加熱，直到溫度高于－20度，停止對保溫膜的供電。根據環境最低溫度－70度時的熱量散熱速度，綜合考慮系統的整體功耗要求，保溫膜的功耗選擇2.5瓦，對于加熱保溫膜的溫度控制點的選擇，也要綜合考慮功耗要求，我們確定當采集盒內的溫度低于－25度時，啟動加熱功能，為了避免頻繁的起停加熱，一旦加熱電路啟動，只有當溫度高于－20度時，才停止對保溫膜的加熱

5.3.3 總體原理設計

12路拉力傳感器和6路差壓以及6路溫度信號經過調理后轉換為1－5V范圍的電壓信號后經模擬開關接到微處理器的模擬信號輸入端，采集器的微處理器控制多路選擇器的選通控制端，從18路傳感器的電壓信號中選擇一路電壓信號輸入進入微處理器片內的12位A/D轉換器進行AD轉換，并對轉換結果按照一定格式進組織，通過RS-422接口實時發送總線。

微處理器片內集成了一個12位的A/D轉換器，對于一個滿度為5000mV的輸入信號，采用12位AD轉換器，其AD總的轉換精度為±1.5LSB，當AD的參考電壓差為5V時，對此信號轉換產生的誤差為±6.1mV，采用參考電壓為5.00V時，精度為±6mV，溫度系數為±15PPM/℃，在整個工作范圍內，電壓參考輸出變化為1mV。綜合考慮這些誤差，總的誤差約為±13.1mV，總的精度不小于0.3％。

微處理器內部集成了串行通信接口，最高波特率高達1250Kb/s，具有發送和接收具有獨立的中斷，使用很方便。通過DS26C31把CMOS電平轉換成適合遠距離傳輸的RS-422電平，通過DS26C32把RS-422電平轉換成CMOS電平。

5.3.3.1 電源模塊

12路傳感器采用12V電源供電，單只傳感器的功耗小于150mW，18只傳感器消耗的最大功率為18×0.15=2.7W；加熱膜的功耗為2.5W；采集器消耗的功率在1.5W左右；電源模塊的轉換效率約為70％，當加熱電路處于工作狀態時，系統總共消耗的功耗在9.5W左右；當加熱電路停止工作時，系統總共消耗的功耗在6W左右。根據各種芯片對電壓要求的不同以及抗干擾和測量精度的需要，考慮電源的降額設計，系統要產生以下幾種電壓：

1、12V/3.8W，向傳感器以及多路模擬開關供電；2、5V/5.7W，向系統數字電路和加熱膜供電；3、5VA/0.7 W，向模擬電路供電；4、5VR，ADC電壓參考，額定電流不大于10mA；模擬電源與數字電源采用相互獨立的供電，其電源回線在電源入口處通過一個電感相連。

5.3.3.2 信號調理與多路選擇

集成多路模擬開關是自動數據采集、程控增益放大等技術領域的常用器件，其實際使用性能的優劣對系統的嚴謹和可靠性有重要影響。在本設計中，模擬多路開關采用AD公司的16通道ADG526A芯片，采用DIP28封裝。該器件具有開關速度快，低導通電阻RON等特點。同時，該器件片內集成了鎖存器。工作溫度為－55℃－125℃。

壓力信號的輸入方式采用單端輸入，這種接法適用于傳輸信號相對于系統模擬公共地的測量，且信號電平明顯大于系統中的共模干擾。這樣做的優點是減少了模擬開關的數量需求，缺點是系統基本失去了共模抑制能力。ADG526A導通電阻RON在600Ω左右，比機械開關的接觸電阻（一般為MΩ量級）大得多，而且通道RON隨電源電壓高低、傳輸信號的幅度等的變化而變化，因此，其影響難以進行后期修正。實踐中一般是設法減小RON來降低其對測量精度的影響。根據具體情況，適當的提高了多路開關的電源電壓，以降低其RON影響，在本系統中， ADG526A的供電采用12VDC。

和機械開關類似，多路開關在通道切換時也存在抖動過程，會出現瞬變現象。若此時采集多路開關的輸出信號，就可能引入很大的誤差。在本設計中將采用軟件延時的方法來消除抖動。輸入信號的信號源內阻Rs對多路開關的切換時間有重要影響。在其它條件不變的情況下，切換時間近似與Rs成正比，即Rs越小，開關的動作就越快。我們采用的壓力傳感器的輸出阻抗為2K歐姆左右，因此采用了阻抗變換電路將阻抗變低后再接入模擬多路開關。這樣，在減小Rs的同時還減小了多路開關的關斷漏電流造成的誤差。

由于多路開關的內部電路相互聯系，所以多余的通道可能產生干擾信號，因此多余通道的輸入端都作接地處理。

5.3.3.3 通訊與仿真接口

通信接口采用RS422標準，完成向采編器的數據傳送以及向總體提供所需的地面測試接口。微控制器內部集成了一個SCI接口，數據位長度和停止位長度可軟件編程，具有數據校驗功能，發送和接收全雙緩沖，可選通信波特率多達64K種，最高波特率高達1250Kb/s， SCI接口的發送和接收具有獨立的中斷，使用很方便。通過DS26C31把CMOS電平轉換成適合遠距離傳輸的RS-422電平，通過DS26C32把RS-422電平轉換成CMOS電平。

5.3.4 通訊協議

一次數據傳輸都由總線發起，即采集器平時不向總線發送數據，只有當收到總線發來的“送數據”命令時才向總線發送數。為了減少通信數據量，所有數據都采用十六進制傳輸。下面對每個字段予以說明：同步字符：用來表示一幀數據的傳輸起始；地址：標識不同的采集器；

命令碼：表示命令或者數據類型；數據長度：表示除同步字符和校驗和字段外的所有數據的個數，以字節為單位。校驗和：表示除本身字段外的字段的累加和，取最低字節。

5.3.5抗干擾與電磁兼容設計良好的抗干擾設計不僅直接影響到產品的可靠性和穩定性，甚至是項目成敗的關鍵。基于電磁兼容性原則，抗干擾設計主要從抑制噪聲源，切斷噪聲傳遞途徑，降低受擾設備的噪聲敏感度三個方面入手。在電路設計和PCB設計時，采取了以下一些措施來提高電路的抗干擾能力。

（1）PCB 采用四層板設計

電路在工作時會向外輻射噪聲而成為噪聲源，為削弱噪聲輻射，在PCB設計時使用四層板設計。這樣可從結構上獲得理想的屏蔽效果：以中間層作電源線或地線，將電源線密封在板內，兩面做絕緣處理，可使流經上下面的開關電流彼此互不影響；印制板內層做成大面積的導電區，各導線面之間有很大的靜電電容，形成阻抗極低的供電線路，可有效預防電路板輻射和接收噪聲。同時，PCB的大面積的地線以有效降低寄生電感，減少噪聲輻射。

（2）適當處理多余的芯片管腳在電路設計時，妥善處理了邏輯器件的多余輸入端。對數字電路的多余端也做了適當的處理。

(3) 采用了去耦電容：電路板上的集成電路器件工作時，板上電源電壓和地電位易產生波動，導致信號振蕩，引起電路誤動作。尤其當浪涌電流流過印制導線時，會出現瞬時電壓降，形成電源尖峰噪聲，其中以導線電感引起的干擾為主。因此，在各集成電路的電源和地線間分別接入旁路電容，以縮短開關電流的流通途徑。

(4) 對電源采用了低頻濾波：在電源的入口處選用在低頻段效果好的鉭電解電容器，在各集成電路電源處選用高頻段效果好的陶瓷電容器。

(5) 對遠距離傳輸的信號采用了屏蔽：對于遠距離傳送的輸入輸出信號采用了屏蔽保護，屏蔽線與地應遵循一端接地原則，且僅將易受干擾端屏蔽層接地。

(6) 信號傳輸采用電流形式：對于遠距離傳送的輸入輸出信號采用了屏蔽保護外，信號采用4～20mA，提高了信號的抗干擾能力。

5.3.6軟件總體設計

5.3.7軟件的可靠性設計

美國國防部關鍵計劃1991～1992年度報告曾指出“實際上，軟件的性能已成為確保武器系統性能的主要決定因素”，軟件的可靠性是系統不可缺少的關鍵性組成部分。一般來說，軟件可靠性是在規定的條件下和規定的時間內，軟件不引起系統故障的能力，是軟件工程和可靠性工程相結合所產生的一個新分支。軟件可靠性是軟件質量特性中的重要特性和關鍵因素。在本軟件設計中，可靠性設計準則嚴格按照GJB\102－1997進行，采用了如下的軟件可靠性設計技術。

(1) 采用結構化、模塊化、層次化程序設計思想

結構化、模塊化、層次化設計技術具有以下優點：易于程序的設計、實現，可以大幅度提高程序模塊的重用度，有效降低程序的復雜度；提高軟件的可維護性和可擴展性；易于程序錯誤的隔離，阻止錯誤的擴散，提高軟件的可測試性；可以減小程序的測試輸入集，簡化程序測試的難度。基于以上的優點，采用結構化、模塊化、層次化程序設計思想可以有效地提高軟件的可靠性。

(2) 采用軟件容錯設計技術

由于軟件運行環境的復雜性，可能導致軟件許多故障或實效的因素具有很強的隨機性，所以在程序設計中采用合理、有效的容錯設計技術對于軟件可靠性能起到關鍵的作用。在本項目的軟件設計中，采用了以下軟件容錯設計技術。

軟件看門狗檢測技術；開關量輸入檢測、確認技術；系統程序自檢技術；CPU剩余資源處理技術。在軟件的可靠性設計之外，引入航天系統內第三方機構對軟件的可靠性進行測評。軟件可靠性評測是指在軟件的預期使用環境中，為進行軟件可靠性評估而對軟件實施的一種測試，它包括測試和評估兩個部分。軍工產品中的嵌入式軟件可靠性評測技術是軟件可靠性工程的一個重要部分，是確定軟件產品的可靠性設計是否有效的判斷依據。

軟件的可測試性是基于需求、結構的測試，是按用戶使用軟件的方式，盡可能多的測試用戶高概率使用的功能，判斷軟件的這些功能對各種輸入的運行是否正常。基于這種需求，研制了模擬仿真測試平臺，為軟件的測試提供測試所需的各種測試信號，提供了測試通信接口，方便與計算機的通信，便于觀測和分析測試結果。

為了落實軟件可靠性設計的各項措施的有效實施，確保軟件的可靠性，在軟件開發各階段需對系統要求分析和設計、軟件需求分析、軟件概要設計、軟件詳細設計和CSCI測試前的測試準備進行評審，嚴格按照GJB2786-1996《武器系統軟件開發》的要求，對軟件開發期間各階段進行有效的監控。

6 系統安全性、可靠性、維修性分析

6.1 安全性分析該系統沒有高電壓,高電流,無危害物質；采用自封閉結構，不會對周圍的系統產生干擾，也不易受其它系統的干擾，結構上有緩沖設計，具有防沖擊功能。本系統的故障不會影響外部系統。

6.2 可靠性分析對產品的結構進行了優化設計，并采取了多種方式進行了抗振處理，保證產品能夠在高振動環境下可靠工作。電子元器件都進行了嚴格的選型，都進行了復驗，并進行了降額設計，能夠在惡劣環境下可靠工作。外購件主要為電子元器件、接插件、硅膠及螺紋膠等。所購軍用器件都從通過了軍工產品質量體系認證的廠商直接購買，非軍用材料則從與我司有著長期業務往來的單位中購買，產品都有合格證，并都經過檢驗和試用，質量可靠。

對于可能對本系統外有破壞性影響的電路，在電路設計時采用了冗余的方法，例如，為了避免電源入口處的鉭電容短路，造成24V輸入電源失效，采用了電容串聯方式。

6.3 維修性分析所有部件都備有備件，若有故障，都采用直接更換的方式。

7 質量保證措施

7.1 質量保證嚴格按照國軍標GJB150和航天特殊使用要求，從設計、生產、檢驗等全過程嚴格控制產品質量。

7.2 質量措施

7.2.1明確質量保證組織機構及職責、職權關系本產品用于xx參數采集，關系到參數采集能否成功的重要部件，本項目的研制是我公司的一項重要任務，從公司領導到相關部門領導，對該項目及其重視，成立了專門的項目組，確立組織機構，明確分工，編制組織關系框圖，形成例會制度。嚴格按照GJB 9001A和GJB 546A的要求實施質量管理。

7.2.2從設計上保證產品質量設計是產品質量的源頭，技術人員充分認識“產品質量是設計出來的”道理，在產品各個階段的設計中始終重視質量設計，保持與顧客溝通，充分識別顧客的要求并體現在產品設計中，各階段嚴格進行評審、驗證。嚴格按照航天產品相關設計文件、標準規范進行設計。

7.2.3建立完善的質量控制手段首先根據國軍標總規范和用戶要求，認真研究制定產品詳細規范，結合實際質量水平找出差距，再針對問題進行工藝技術攻關，固化工藝。在正樣產品研制階段，制定或完善質量保證手冊、質量保證大綱計劃、有關程序文件和操作規程等，補充完善硬件設施，建立較完善的質量控制手段，實施對產品質量的有效控制。

7.2.4 嚴格控制外協加工、外購器件質量本項目采用的元器件按照宇航級要求進行選型，盡量選用航天目錄內產品并進行“二篩”，選用目錄外器件時，按照程序進行報批，對于關鍵外協件，外購件定點軍工廠家。

7.2. 5編制有關質量文件正樣產品研制階段將組織編制的有關質量文件，包括：(1) 工作計劃實施方案；(2) 試驗方案；(3) 質量保證大綱；(4) 設計、工藝、檢驗、流程卡等；(5) 生產流程圖及質量控制點；(6) 相關程序文件；(7) 規章制度；(8) 各種質量控制原始記錄。

7.2.6人員培訓工藝固化以后制定相應的培訓計劃，對不同層次、不同崗位的人員進行培訓，持證上崗操作。

8、結論