张利威，郭 涛，周天浩，李 慧，谭秋林

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室, 太原 030051;2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051)

火箭在发射或者星箭分离过程中会产生强烈的冲击和持续不断的振动，当箭上仪器设备所受到的振动和冲击力达到或者超过其所能承受的最大值时，就会使仪器设备的局部或者整体发生故障，严重时会导致仪器设备损坏，解决这些问题对火箭成功发射具有重要的意义[1]。目前，箭上力学监测仍大量搭载模拟传感器，不同类型的传感器需配备不同类型的变换器，多点监测使用长线方式进行信号传输，安装不便，连线复杂，接口容易松动。对此提出了一种无线力学监测方法应用于火箭舱内，完成火箭发射和星箭分离过程中对振动冲击信号的测量[2]。

1 系统硬件设计

1.1 总体结构设计

MEMS加速度传感器作为源节点敏感单元将测量到载体的加速度模拟量接入无线传输节点内，由节点内部的调理电路以及控制芯片对其进行调理转换，最终通过节点将采集的数据通过WIFI无线发射至汇聚节点，汇聚节点的主要功能是收集并融合处理其网络内各个传感器节点采集转交过来的信息上传至箭上数据处理中心，汇聚节点主要负责无线传感器网络与以太网络之间的通信，根据对力学监测系统的功能分析，选用数据集中管理模式[3]。图1集中管理模式下的无线力学采集系统总体结构。

图1 系统总体结构框图

1.2 无线监测节点设计

要实现实时箭上力学监测需要节点具有较高的精度和采样率，在该条件下的监测会有大量数据产生。针对大量数据所带来的数据存储、运算和无线传输过程中的问题，要求监测节点必须具备高运算能力和存储能力[4]。该无线力学监测节点由电源供电、主控芯片、模拟信号调理、数据存储以及无线发射5个部分组成。监测节点的内部结构如图2所示。

图2 监测节点内部结构

节点的控制核心选用STM32F405RG单片机；供电模块采用法国SAFT公司研发的的两块容量为2 600 mAh的电池供电，在满电情况下输出的电压为7.2 V，该电芯可以在极端环境下(极冷，极热)保持良好的特性，可以应用于航天领域；选用中北大学研制的压阻加速度传感器作为监测节点内部监测瞬态冲击敏感单元，量程±10 000g，灵敏度0.33 (uv·g-1)，工作电压2.5 V，频响范围为：5～10 kHz，置于无线监测节点内部；对于振动传感器模块来说，需要克服在火箭升空瞬间产生的高达几万g值的冲击，若传感器的抗冲击能力较差则会造成传感器的严重损坏，导致其功能完全失效。本监测节点选用中北大学研制的单轴电容式加速度计作为监测节点内部监测振动量的敏感单元，量程为±50g，传感器灵敏度为13.5 μv/g，频响范围为：5～2 000 Hz，该器件具有良好的抗冲击能力；为了减小功耗，缩小节点PCB板面积，本设计采用STM32F405内部ADC完成采集和模数转换功能，设置转换位数为10位，采集精度为4.8 mv，采样频率设置为20 kHz；本监测节点采取先将数据存放在microSD卡中进行分包压缩处理待信道有足够余量时再进行数据传输，选择8 G的SD卡作为数据存储模块，通过 Cortex M4处理器自带的SDIO总线接口访问，通过测试该芯片的的读写速度≥5 MB/s。

无线模块也是力学监测节点的核心模块，无线模块主要负责数据的发送与指令的接收[5-6]。 CC3100 的射频为单端输入输出，发送时，信号由 Pin 31发出，经过一个带通滤波器 (BPF)以抑制二次和三次谐波和带外杂散[7]，再经过一个值为500 Ω的阻抗匹配网络，由信号通过2.4 GHz 的天线辐射。天线模块电路以及CC3100配置芯片如图3所示。

图3 CC3100配置芯片和天线模块电路

1.3 无线汇聚节点设计

无线汇聚节点是连接监测节点与数据处理中心的中介[8]，汇聚节点利用无线网络接收监测节点采集的力学数据后存储到大容量SRAM中，对数据进行融合处理后然后通过以太网端口将监测数据传送箭上数据处理中心。由射频传输模块、电源管理模块、中控模块、数据存储模块以及以太网通信模块5个部分构成。图4为该无线汇聚节点的结构图。

图4 无线汇聚节点结构图

无线汇聚节点采用与监测节点同系列的Cortex-M4内核的STM32F415微处理器；无线射频模块采用CC3100芯片；扩展存储器选用Samsung公司的K9K8G08U0E 8 GB NAND Flash。

对于以太网通信模块来说，STM32F415内置以太网MAC层，要实现以太网通信，在硬件设计时需外接PHY芯片为太网提供的接入通道[8]，通过器件的对比选型，最终选LAN8720作为本设计的以太网PHY层芯片。LAN8720芯片外转电路如图5所示。

图5 LAN7820芯片外围电路

2 数据融合处理

在本系统中多个监测节点将采集到的加速度数据发送到汇聚节点，对于同方向邻近节点来说，汇聚节点将收到的多个信息源数据通过数据融合算法成一条有用信息，通过以太网发送至箭上数据处理中心[9-10]。汇聚节点采用自适应融合算法对多个源节点采集的数据进行处理。该算法的核心思想即在总方差最小的条件下，通过对各节点内部的传感器测量值进行加权融合，寻找与之对应的最优加权因子，得到每个传感器所对应的最优权重值。该方法下每个节点内传感器对应不同的权重值，经过融合处理后监测数据值达到最优[11]。

若对两个不同的传感器p、q采集的数据进行数据融合处理，其测得某一时刻的值为Xp、Xq，对应的零均值平稳 噪声为Vp、Vq,自适应加权法的计算步骤如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

在振动台上放置8个监测节点，同时开始测量，经过计算并结合上述算法，其测量值方差如表1。由算法可得最优加权因子如表2。

表1 传感器对应方差

表2 每个测量值对应的最优加权因子

对比两表可知，测量误差值小的加速度计对应的加权因子大，误差值大的加速度计对应的加权因子小，汇聚节点采用自适应加权算法进行数据融合处理，提高了系统的测量精度[12]。

3 系统实验

3.1 无线传输距离测试

实际应用中火箭舱内的通信距离<30 m， 设置无线监测节点的发射功率为20 dBm,天线增益为10 DBI，汇聚节点接收灵敏度为-74 dBm的条件下进行，监测节点与接收节点最大有效距离为60 m，进行6次测试，每增加(或递减)10 m进行一次传输。设定每秒发送一次数据，当监测节点发送完 1 000 个数据包之后，通过监测软件查看汇聚节点接收到数据包个数，通过简单计算得到传输过程中的掉包率。测试结果如表3。

表3 室内通信测试

由以上测试结果可知，节点距离小于30 m时，通信较为稳定，当节点距离大于30 m时，通信质量逐渐下降。

3.2 冲击测试

对系统进行上电，将冲击台高度设置好后，进行两次冲击实验同时系统开始采集以及传输，将上传至上位机的冲击信号数据包进行分析处理绘制出波形图,图6、图7分别在6 000g、9 000g值下，数据包进行处理所得到的波形图。

冲击台所设置标准峰值加速度为6 000g时，所采集的峰值加速度为6 299.54g，冲击台所设置标准峰值加速度为9 000g时，所采集的峰值加速度为9 146.84g，综上所述由冲击实验数据分析，6 000g、9 000g值下对系统进行冲击实验，系统均能在2 ms内良好的捕捉到冲击信号，平均测量误差为3.3%，满足要求。本文所设计的无线力学监测节点在1～10 000g的有效量程内，获取到的瞬时冲击信号有效。

图6 6 000 g下系统采集结果

图7 9 000 g下系统采集结果

3.3 定频实验

在完成节点的无线传输可靠性能测试和冲击实验的基础上，还需要评估振动监测模块是否能够良好的准确的完成箭上振动信号的拾取[13]。选取监测节点的一个轴向，固定于振动台，用频率设为1 000 Hz、1 500 Hz的声波进行定频实验，定频实验结束后将汇聚节点收集到的数据用Matlab软件进行分析处理，通过所得到的波形查看在设定频率下无线监测系统的激励响应是否良好，来判断系统对振动参量的监测性能。图8、图9分别为X轴1 000 Hz、1 500 Hz的定频实验频谱图。

图8 X轴1 000 Hz定频实验频谱图

由定频实验数据可知，监测节点在1 000 Hz、1 500 Hz都有较好的激励响应，谱线清晰，本文所设计的无线力学监测节点在 5～2 000 Hz 的有效采样范围内，拾取到的加速度信号有效。

图9 X轴1 500 Hz定频实验频谱图

4 结论

提出了适合本系统的自适应数据融合算法，经过融合处理后监测数据值达到最优。初步完成了监测节点与汇聚节点的实验测试主要包括传输距离测试，冲击试验和定频实验。经过测试，无线力学采集系统在有效量的监测量程和频率范围内，可以完成对振动信号的连续采集以及0～10 kHz冲击信号的瞬时捕捉，两节点均能有效完成数据的实时存储和无线传输，而且整套装置体积小、操作方便、安装灵活、具有良好的抗冲击能力。