远距离拉压力、温度数据采集系统技术方案

发布时间：2019-8-16 发布人：泽天公司点击：

1、项目背景

本项目来源于XX大学，用来完成特殊环境下对xxx上的拉力、差压和温度数据的远距离采集（注:为保密要求,本方案为删节版本）。

2、技术要求

2.1 拉力传感器

测量范围：0～1.8t，（安全过载2.5t，－70度正常工作）；输入电压：20～32VDC；输出：4～20mA；精度：≤0.5%FS；重量：≤2kg，在满足要求的前提下尽可能的轻。余度要求：双余度（两套应变片、分别信号输出）。过载保护：选用合适过载保护结构（如Z型过载保护等），防止断裂事故；连接方式：上下吊环；外形尺寸：在满足使用要求的前提下尽量小。可靠性工作要求：MTBF>2000h。

2.2 温度压差传感器

温度测量范围：-100℃～＋80℃；差压测量范围：0～2KPa，输入电压：20～32VDC；输出：4～20mA；精度：≤0.5%FS；重量：尽量小于0.4Kg。

2.3 采集器

1) 采集通道数：十二路拉力信号；6路压差信号；6路温度信号；2) 测量精度：≤±0.5﹪FS；3) 电源电压：20～32VDC(电源供电24VDC)；4) 通道数据采样率：10Hz；5) 输出信号：RS-422总线；6) 可靠性工作要求：MTBF>1200h。

工作环境：低温低气压要求：3KPa, －70度环境下正常工作；高温要求：使用温度100度，气压在3KPa～常压范围内正常工作；臭氧浓度：15ppm，10天老化无影响；保持温度范围根据内部设备需要而定；

2.4 电缆工作环境：低温低气压要求：3KPa, －70度环境下正常工作；臭氧浓度：15ppm，30天老化无影响；紫外老化：140W功率下持续10天老化无龟裂或者脆化；

2.5 连接件：采用机载防松航空插头；安装要求：安装牢固，不会发生脱落等情况；低温低气压要求：3KPa, －70度环境下安装牢固，数据传输不受影响；（温度范围要求：－70℃～80℃范围温度交变信号传输正常；

3 引用文件

GB7665-1987传感器通用术语；GJB152A-1997军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量；GJB150.4-84军用设备环境试验方法低温试验；GJB150.3-84军用设备环境试验方法-高温试验；GJB150.2-86军用设备环境试验方法-低气压试验；GJB150.18-86军用设备环境试验方法-冲击试验。

4 研制指导思想

远距离采集系统用于获取xx工作期间的环境参数信息，在整个工程中具有重要的作用。从技术选择方面，本项目采用国内外成熟技术，一方面降低了技术实现的风险，同时有利于加快研发进度，减少研发成本。传感器采用成熟的压力敏感芯体作为压力感测元件，采取成熟电路对温度补偿和非线性校正，使传感器的温漂和非线性满足要求。另一方面，采用集成度高的元器件，降低实现的复杂度，提供系统的可靠性，采用带ADC微处理器对信号进行处理、存储，接受外部控制信号和命令，完成系统与采编器的通讯和数据传输。最后，加强质量控制，强化项目过程管理。项目相关的元器件要进行二次筛选，外购件，外协件按照相关流程加强控制。

5、总体技术方案

该系统主要由6路拉力传感器、6路温度差压传感器、一个数据采集器组成。6路拉力传感器和6路温度差压传感器分别通过独立的连接器与数据采集器相连，采用4～20mA电流信号完成信号的传输。在采集器内部，对信号的电流信号调理，转换成适合AD采集的电压信号。信号完成采集、处理后，通过RS-422接口把数据传输到相关设备上。

数据采集器采用保温措施，使其工作的环境温度保持在在－45℃～85℃范围内。接插件选用航天用高密度螺纹式电连接器，接触件为焊接式，螺纹连接，体积小，重量轻，节点密度高，具有防误插功能。抗震动，耐冲击性能优良，性能指标先进。广泛应用在战略战术武器系统，航空航天运载系统中。尤其适应有体积限制和重量要求的使用场合。电缆选用聚四氟乙烯轻型电缆，该电缆使用温度为-65～200℃，采用镀银铜芯和镀银圆铜线编织屏蔽。

5.1 拉力传感器

拉力传感器的主要技术指标如下：测量范围：0～1.8t，（安全过载2.5t，－55度正常工作）；输入电压：20～32VDC；输出：4～20mA；精度：≤2%FS；重量：≤2kg；余度要求：双余度（两套应变片、分别信号输出）；过载保护：采用Z型过载保护，防止断裂事故；连接方式：上下吊环；可靠性工作要求：MTBF>2000h。

工作环境：低温低气压要求：3KPa,-55度环境下正常工作；使用温度压力范围：－55℃～60℃；3KPa～常压；线性度：使用段0～1t保证线性度；臭氧浓度：15ppm，3天老化无影响；防水要求：参照国军标要求；振动：按航标HB5830.5-84；

5.2 温度差压传感器

针对用户要求，确定采用某型号高精度微差压传感器制作压差传感器，其主要指标如下：满量程输出100mv（5V供电），工作温度-55℃～100℃，精度：0.1%，零点、量程温度影响：±0.05%FS/℃；产品整体外型尺寸≤40mm×30mm×65mm，其重量小于100g。差压传感器采用塔型管路引压，变送器电路一体封装在产品盒内，两芯电缆出线，4～20mA长距离传输。

5.2.1 压力传感器工作原理

传感器采用泽天传感敏感芯体，其测压原理可看为欧姆定律与压阻效应的总成，根据欧姆定律和压阻效应，电阻变化通过四个扩散硅电阻组成惠斯登压敏全桥，给全桥一定的电压或电流激励，可以将弹性材料传递的压力转换为与压力成近似线性关系的差模电压输出。

5.2.2压力传感器电路设计

压力传感器采用泽天传感成熟电路设计，该电路已在多个工程型号上应用。主要包括电源电路、恒流源电路、传感器信号调理电路等电源模块XX组成整体电路的稳压电源，R1、R2为比例调节电阻，通过R1与R2阻值改变从而得到5.3V左右的电压值，该电压为后级模块工作电压。电源模块XX具有以下特点：

a. 该器件乃符合美军标标准生产的集成电路，产品质量有保证，并且芯片体积小；b. 该器件的输出电压可以任意调整，使用方便，并且具有输出短路保护的功能；c. 该器件的纹波抑制比达到80dB，能够输出稳定的电压；并且在-55℃~125℃范围内，其输出电压变化在±0.5%，有利于传感器供电。

恒流模块为给传感器供给1mA电流的电流模块，R3为电流调节电阻。其具有如下特点：a. 该器件的输出电流可以任意调整，使用方便，并且具有输出短路保护的功能；b. 该器件的在其正常工作温度范围-45℃～125℃，温度漂移值约为±25PPM/℃。

调理专用芯片的作用是对传感器输出的mv信号进行放大、修正、补偿。其功能特点如下：a. 不需要外加微调元器件；b. 通过PC控制的传感器校准、补偿，能校正传感器线性曲线以及补偿温度特性；c. 高达±0.1%FS的精度；d. 使用温度范围为-50℃～150℃。

5.2.3温度传感器的设计

温度传感器采用Pt1000铂电阻温度传感器，该型温度传感器测温精度高，经过后端放大调理后一般优于0.5度，长期稳定性重复性好，采用装配式铂电阻，其主要由外保护管、铂电阻、和氧化铝装配而成，引出线采用三线制，三根导线截面积和长度相同，避免导线电阻的影响，消除测量误差。该型温度传感器重量约为10g。温度传感器信号采用1米长的电缆与温度差压传感器连接，温度变送电路和差压传感器放在一起，信号输出和差压传感器共用一个接插件，信号采用4～2mA电流信号传送。在器件选型上，电阻、电容、三极管等均采用国产的军标级器件，组件采用进口高质量芯片，并严格进行老化筛选，剔除不合格产品。我们对该型电路进行了低温试验，在-55℃下仍能保证正常。该套电路已成功应用在相关军用工程上，经过了长期考核，能有效在-55℃环境下长期工作。

5.2.4传感器可靠性设计

公司有多人多年从事压力传感器的研究，具备良好的适宜传感器研制的基础条件和技术能力。整个产品从电路、结构、工艺等方面进行设计、保证，因此产品具有高精度与高质量的可靠性。

1) 传感器采用进口高可靠性敏感芯体，已在多个型号上应用。该芯体电阻阻值一致性好，灵敏度高，测试精度高，长期稳定性好，能进行宽范围温度的可靠测试。

2) 电路广泛采用军品级模拟元器件，具有极高的可靠性系数。

3) 电路设计充分考虑了传感器的EMC性能，并对电路进行了抗电磁干扰设计：

a. 在电源输出端采取LC滤波处理，保证了电源能够稳定工作；b. 在输出端采取了RLC低通滤波处理，截止频率为10K。c. 将电路放置在密封金属外壳内，然后采用屏蔽电缆出线，使电路能够禁受辐射干扰。

4) 产品结构材料选用1Cr18Ni9Ti不锈钢一体化设计，因此其能长期工作在强腐蚀、大振动及冲击的飞行环境中。

5.3 数据采集器

5.3.1 结构设计

数据采集器是整个测量系统的一个重要组成部分，用于对从传感器输出的信号进行调理、采集，处理和传输。组成采集器的所有元器件都选用军品等级，且都能在-45～125℃温度范围内正常工作。采用RS-422接口来传输数据。数据采集器外形尺寸为140×120×90。

5.3.2 保温与温度控制

数据采集器带有温度调控制功能，内部采用可加热的保温膜紧贴采集盒的内壁，采集器的温度测量电路实时监测采集盒内的温度，当温度低于－25度时，采集器启动的温度控制功能对保温膜进行加热，直到温度高于－20度，停止对保温膜的供电。根据环境最低温度－70度时的热量散热速度，综合考虑系统的整体功耗要求，保温膜的功耗选择2.5瓦，对于加热保温膜的温度控制点的选择，也要综合考虑功耗要求，我们确定当采集盒内的温度低于－25度时，启动加热功能，为了避免频繁的起停加热，一旦加热电路启动，只有当温度高于－20度时，才停止对保温膜的加热

5.3.3 总体原理设计

12路拉力传感器和6路差压以及6路温度信号经过调理后转换为1－5V范围的电压信号后经模拟开关接到微处理器的模拟信号输入端，采集器的微处理器控制多路选择器的选通控制端，从18路传感器的电压信号中选择一路电压信号输入进入微处理器片内的12位A/D转换器进行AD转换，并对转换结果按照一定格式进组织，通过RS-422接口实时发送总线。

微处理器片内集成了一个12位的A/D转换器，对于一个满度为5000mV的输入信号，采用12位AD转换器，其AD总的转换精度为±1.5LSB，当AD的参考电压差为5V时，对此信号转换产生的误差为±6.1mV，采用参考电压为5.00V时，精度为±6mV，温度系数为±15PPM/℃，在整个工作范围内，电压参考输出变化为1mV。综合考虑这些误差，总的误差约为±13.1mV，总的精度不小于0.3％。

微处理器内部集成了串行通信接口，最高波特率高达1250Kb/s，具有发送和接收具有独立的中断，使用很方便。通过DS26C31把CMOS电平转换成适合远距离传输的RS-422电平，通过DS26C32把RS-422电平转换成CMOS电平。

5.3.3.1 电源模块

12路传感器采用12V电源供电，单只传感器的功耗小于150mW，18只传感器消耗的最大功率为18×0.15=2.7W；加热膜的功耗为2.5W；采集器消耗的功率在1.5W左右；电源模块的转换效率约为70％，当加热电路处于工作状态时，系统总共消耗的功耗在9.5W左右；当加热电路停止工作时，系统总共消耗的功耗在6W左右。根据各种芯片对电压要求的不同以及抗干扰和测量精度的需要，考虑电源的降额设计，系统要产生以下几种电压：

1、12V/3.8W，向传感器以及多路模拟开关供电；2、5V/5.7W，向系统数字电路和加热膜供电；3、5VA/0.7 W，向模拟电路供电；4、5VR，ADC电压参考，额定电流不大于10mA；模拟电源与数字电源采用相互独立的供电，其电源回线在电源入口处通过一个电感相连。

5.3.3.2 信号调理与多路选择

集成多路模拟开关是自动数据采集、程控增益放大等技术领域的常用器件，其实际使用性能的优劣对系统的严谨和可靠性有重要影响。在本设计中，模拟多路开关采用AD公司的16通道ADG526A芯片，采用DIP28封装。该器件具有开关速度快，低导通电阻RON等特点。同时，该器件片内集成了锁存器。工作温度为－55℃－125℃。

压力信号的输入方式采用单端输入，这种接法适用于传输信号相对于系统模拟公共地的测量，且信号电平明显大于系统中的共模干扰。这样做的优点是减少了模拟开关的数量需求，缺点是系统基本失去了共模抑制能力。ADG526A导通电阻RON在600Ω左右，比机械开关的接触电阻（一般为MΩ量级）大得多，而且通道RON随电源电压高低、传输信号的幅度等的变化而变化，因此，其影响难以进行后期修正。实践中一般是设法减小RON来降低其对测量精度的影响。根据具体情况，适当的提高了多路开关的电源电压，以降低其RON影响，在本系统中， ADG526A的供电采用12VDC。

和机械开关类似，多路开关在通道切换时也存在抖动过程，会出现瞬变现象。若此时采集多路开关的输出信号，就可能引入很大的误差。在本设计中将采用软件延时的方法来消除抖动。输入信号的信号源内阻Rs对多路开关的切换时间有重要影响。在其它条件不变的情况下，切换时间近似与Rs成正比，即Rs越小，开关的动作就越快。我们采用的压力传感器的输出阻抗为2K欧姆左右，因此采用了阻抗变换电路将阻抗变低后再接入模拟多路开关。这样，在减小Rs的同时还减小了多路开关的关断漏电流造成的误差。

由于多路开关的内部电路相互联系，所以多余的通道可能产生干扰信号，因此多余通道的输入端都作接地处理。

5.3.3.3 通讯与仿真接口

通信接口采用RS422标准，完成向采编器的数据传送以及向总体提供所需的地面测试接口。微控制器内部集成了一个SCI接口，数据位长度和停止位长度可软件编程，具有数据校验功能，发送和接收全双缓冲，可选通信波特率多达64K种，最高波特率高达1250Kb/s， SCI接口的发送和接收具有独立的中断，使用很方便。通过DS26C31把CMOS电平转换成适合远距离传输的RS-422电平，通过DS26C32把RS-422电平转换成CMOS电平。

5.3.4 通讯协议

一次数据传输都由总线发起，即采集器平时不向总线发送数据，只有当收到总线发来的“送数据”命令时才向总线发送数。为了减少通信数据量，所有数据都采用十六进制传输。下面对每个字段予以说明：同步字符：用来表示一帧数据的传输起始；地址：标识不同的采集器；

命令码：表示命令或者数据类型；数据长度：表示除同步字符和校验和字段外的所有数据的个数，以字节为单位。校验和：表示除本身字段外的字段的累加和，取最低字节。

5.3.5抗干扰与电磁兼容设计良好的抗干扰设计不仅直接影响到产品的可靠性和稳定性，甚至是项目成败的关键。基于电磁兼容性原则，抗干扰设计主要从抑制噪声源，切断噪声传递途径，降低受扰设备的噪声敏感度三个方面入手。在电路设计和PCB设计时，采取了以下一些措施来提高电路的抗干扰能力。

（1）PCB 采用四层板设计

电路在工作时会向外辐射噪声而成为噪声源，为削弱噪声辐射，在PCB设计时使用四层板设计。这样可从结构上获得理想的屏蔽效果：以中间层作电源线或地线，将电源线密封在板内，两面做绝缘处理，可使流经上下面的开关电流彼此互不影响；印制板内层做成大面积的导电区，各导线面之间有很大的静电电容，形成阻抗极低的供电线路，可有效预防电路板辐射和接收噪声。同时，PCB的大面积的地线以有效降低寄生电感，减少噪声辐射。

（2）适当处理多余的芯片管脚在电路设计时，妥善处理了逻辑器件的多余输入端。对数字电路的多余端也做了适当的处理。

(3) 采用了去耦电容：电路板上的集成电路器件工作时，板上电源电压和地电位易产生波动，导致信号振荡，引起电路误动作。尤其当浪涌电流流过印制导线时，会出现瞬时电压降，形成电源尖峰噪声，其中以导线电感引起的干扰为主。因此，在各集成电路的电源和地线间分别接入旁路电容，以缩短开关电流的流通途径。

(4) 对电源采用了低频滤波：在电源的入口处选用在低频段效果好的钽电解电容器，在各集成电路电源处选用高频段效果好的陶瓷电容器。

(5) 对远距离传输的信号采用了屏蔽：对于远距离传送的输入输出信号采用了屏蔽保护，屏蔽线与地应遵循一端接地原则，且仅将易受干扰端屏蔽层接地。

(6) 信号传输采用电流形式：对于远距离传送的输入输出信号采用了屏蔽保护外，信号采用4～20mA，提高了信号的抗干扰能力。

5.3.6软件总体设计

5.3.7软件的可靠性设计

美国国防部关键计划1991～1992年度报告曾指出“实际上，软件的性能已成为确保武器系统性能的主要决定因素”，软件的可靠性是系统不可缺少的关键性组成部分。一般来说，软件可靠性是在规定的条件下和规定的时间内，软件不引起系统故障的能力，是软件工程和可靠性工程相结合所产生的一个新分支。软件可靠性是软件质量特性中的重要特性和关键因素。在本软件设计中，可靠性设计准则严格按照GJB\102－1997进行，采用了如下的软件可靠性设计技术。

(1) 采用结构化、模块化、层次化程序设计思想

结构化、模块化、层次化设计技术具有以下优点：易于程序的设计、实现，可以大幅度提高程序模块的重用度，有效降低程序的复杂度；提高软件的可维护性和可扩展性；易于程序错误的隔离，阻止错误的扩散，提高软件的可测试性；可以减小程序的测试输入集，简化程序测试的难度。基于以上的优点，采用结构化、模块化、层次化程序设计思想可以有效地提高软件的可靠性。

(2) 采用软件容错设计技术

由于软件运行环境的复杂性，可能导致软件许多故障或实效的因素具有很强的随机性，所以在程序设计中采用合理、有效的容错设计技术对于软件可靠性能起到关键的作用。在本项目的软件设计中，采用了以下软件容错设计技术。

软件看门狗检测技术；开关量输入检测、确认技术；系统程序自检技术；CPU剩余资源处理技术。在软件的可靠性设计之外，引入航天系统内第三方机构对软件的可靠性进行测评。软件可靠性评测是指在软件的预期使用环境中，为进行软件可靠性评估而对软件实施的一种测试，它包括测试和评估两个部分。军工产品中的嵌入式软件可靠性评测技术是软件可靠性工程的一个重要部分，是确定软件产品的可靠性设计是否有效的判断依据。

软件的可测试性是基于需求、结构的测试，是按用户使用软件的方式，尽可能多的测试用户高概率使用的功能，判断软件的这些功能对各种输入的运行是否正常。基于这种需求，研制了模拟仿真测试平台，为软件的测试提供测试所需的各种测试信号，提供了测试通信接口，方便与计算机的通信，便于观测和分析测试结果。

为了落实软件可靠性设计的各项措施的有效实施，确保软件的可靠性，在软件开发各阶段需对系统要求分析和设计、软件需求分析、软件概要设计、软件详细设计和CSCI测试前的测试准备进行评审，严格按照GJB2786-1996《武器系统软件开发》的要求，对软件开发期间各阶段进行有效的监控。

6 系统安全性、可靠性、维修性分析

6.1 安全性分析该系统没有高电压,高电流,无危害物质；采用自封闭结构，不会对周围的系统产生干扰，也不易受其它系统的干扰，结构上有缓冲设计，具有防冲击功能。本系统的故障不会影响外部系统。

6.2 可靠性分析对产品的结构进行了优化设计，并采取了多种方式进行了抗振处理，保证产品能够在高振动环境下可靠工作。电子元器件都进行了严格的选型，都进行了复验，并进行了降额设计，能够在恶劣环境下可靠工作。外购件主要为电子元器件、接插件、硅胶及螺纹胶等。所购军用器件都从通过了军工产品质量体系认证的厂商直接购买，非军用材料则从与我司有着长期业务往来的单位中购买，产品都有合格证，并都经过检验和试用，质量可靠。

对于可能对本系统外有破坏性影响的电路，在电路设计时采用了冗余的方法，例如，为了避免电源入口处的钽电容短路，造成24V输入电源失效，采用了电容串联方式。

6.3 维修性分析所有部件都备有备件，若有故障，都采用直接更换的方式。

7 质量保证措施

7.1 质量保证严格按照国军标GJB150和航天特殊使用要求，从设计、生产、检验等全过程严格控制产品质量。

7.2 质量措施

7.2.1明确质量保证组织机构及职责、职权关系本产品用于xx参数采集，关系到参数采集能否成功的重要部件，本项目的研制是我公司的一项重要任务，从公司领导到相关部门领导，对该项目及其重视，成立了专门的项目组，确立组织机构，明确分工，编制组织关系框图，形成例会制度。严格按照GJB 9001A和GJB 546A的要求实施质量管理。

7.2.2从设计上保证产品质量设计是产品质量的源头，技术人员充分认识“产品质量是设计出来的”道理，在产品各个阶段的设计中始终重视质量设计，保持与顾客沟通，充分识别顾客的要求并体现在产品设计中，各阶段严格进行评审、验证。严格按照航天产品相关设计文件、标准规范进行设计。

7.2.3建立完善的质量控制手段首先根据国军标总规范和用户要求，认真研究制定产品详细规范，结合实际质量水平找出差距，再针对问题进行工艺技术攻关，固化工艺。在正样产品研制阶段，制定或完善质量保证手册、质量保证大纲计划、有关程序文件和操作规程等，补充完善硬件设施，建立较完善的质量控制手段，实施对产品质量的有效控制。

7.2.4 严格控制外协加工、外购器件质量本项目采用的元器件按照宇航级要求进行选型，尽量选用航天目录内产品并进行“二筛”，选用目录外器件时，按照程序进行报批，对于关键外协件，外购件定点军工厂家。

7.2. 5编制有关质量文件正样产品研制阶段将组织编制的有关质量文件，包括：(1) 工作计划实施方案；(2) 试验方案；(3) 质量保证大纲；(4) 设计、工艺、检验、流程卡等；(5) 生产流程图及质量控制点；(6) 相关程序文件；(7) 规章制度；(8) 各种质量控制原始记录。

7.2.6人员培训工艺固化以后制定相应的培训计划，对不同层次、不同岗位的人员进行培训，持证上岗操作。

8、结论