一种固液动力探空火箭箭载数据采集装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于箭载数据采集系统领域，具体涉及一种固液动力探空火箭的箭载数据采集装置。
技术介绍
固液探空火箭是在近地空间进行探测和科学试验的火箭，其主要目的在于进行空间探测或进行飞行验证试验，为固液动力飞行器的研制积累经验。相较于固体、液体推进剂火箭，固液动力探空火箭的优势在于容易关机和重新启动，这得益于固液火箭发动机中有独立的开/关控制阀门，使得整个混合燃烧过程比液体和固体发动机容易控制。同时，固液火箭发动机具有很强的推力调节能力，但是固液混合火箭发动机的稳定燃烧对氧化剂和燃料的配比更为敏感，在稳态工作和推力调节过程中，推进剂的混合比将稍偏离最佳值，配比对发动机的燃烧效率、比冲乃至燃速都有重大影响，使发动机工作性能改变、比冲有所损失，当重新启动点火后也可能存在一致性问题。鉴于挤压式固液混合火箭发动机氧化剂的流量不仅取决于氧化剂贮箱挤压压强、供应系统流阻损失和氧化剂喷嘴的面积，还取决于·燃烧室压强。现已发现，不采取技术措施时，固-液推进剂的燃烧度很低，固液发动机燃烧不完全的损失可达百分之几十，而液体和固体发动机的损失只有百分之几，为使发动机工作处于最佳配比状态，必须适当调整这些参数，可通过控制活门调节氧化剂的流量。也经多方试验验证，固液火箭发动机推进系统的故障多出现在供给和增压系统。因此，在这一类火箭的发射过程中，对探测数据或试验数据的采集记录工作尤为重要，而数据采集系统就在这里扮演了极为重要的角色。性能优良的数据采集装置，能够为研究人员记录优质而丰富的研究数据，也是固液探空火箭设计过程中的重要环节。固液动力探空火箭箭载数据采集装置应该具有研制周期短、成本低、安全可靠、适应能力强、试验容易、发射简单灵活等特点。但是，目前并没有这种采集装置。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提出一种固液动力探空火箭箭载数据采集装置。一种固液动力探空火箭箭载数据采集装置，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；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；本专利技术的积极效果在于I、固液动力探空火箭箭载数据采集装置简单、安全、可靠、成本低、研制周期短，能够承受恶劣的飞行力学环境。2、固液动力探空火箭 箭载数据采集电路实现了对火箭发动机实际产生的推力与箭载三个轴向加速度在发动机工作阶段的全程监控、对比。3、固液动力探空火箭箭载数据采集电路实现了对测量氧化剂贮箱压力的压力变送器和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的实时监测和控制，进而监测故障多现、影响发动机性能的供给系统和增压系统，并通过压力变送器调节氧化剂的流量，使发动机工作处于尽可能处于最佳配比状态，高效地实现推力调节和多次启动-关机等功能。4、固液动力探空火箭箭载数据采集电路实现了对有箭载计算机按时序控制的三个电磁阀(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)工作情况的监控，监测供给系统、增压系统、吹除系统是否安全、有序地进行工作。5、固液动力探空火箭箭载数据采集电路的模拟电路和数字电路部分是独立供电的，数字地与模拟地分开，并遵循单点接地原则，还添加了各种滤波电路。6、固液动力探空火箭的供电有地面供电和电池供电两种方式。当用于试验测试时，可以外接28V电压源为系统供电；当用于箭载时，采用28V电压的电池供电。7、固液动力探空火箭在探空火箭发射之前，箭载数据采集电路的工作状态可以通过地面设备的指示灯显示。8、固液动力探空火箭对箭载采集电路控制芯片内程序的修改可以用于多种时序控制的探空火箭，硬件电路通用性好。附图说明图I :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的主电路板上的电平转换电路图；图2 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的加速度计输出转换电路图；图3 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的电磁阀开关量的转化电路图；图4 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的传感器输出信号电压调理以及分压电路图；图5:固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的转电控制电路图；图6:固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的主电路板上滤波以及地面地、模拟地、数字地关系电路图；图7 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的主电路板上的外围电路图；图8 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的以AD7656芯片为核心的加速度计数据采集电路图；图9 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的以25LC256芯片为核心的数据存储电路图；图10 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的以MAX3485芯片为核心的串口通信电路图；图11:固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的核心板上的电压供给以及滤波电路图；图12 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的以控制芯片STM32F103RB为核心的电路图；图13 :固液动力探空火箭箭载数据采集电路中的核心板上的外围电路图；图14 :本专利技术的箭载数据采集电路整体框图。具体实施方式、下面将结合附图对本专利技术作进一步说明。基于固液动力探空火箭的研究目的以及弹载数据采集的要求，本专利技术针对探空火箭三个轴向加速度以及火箭发动机的部分工作状况进行记录的弹载数据装置进行了设计并工程实现，旨在对固液火箭发动机的供给系统、增压系统、吹除系统的按时序监测和控制，从而起到对火箭发动机和箭载计算机部分功能工作情况的全程记录作用，并根据存储信息推算出固液探空火箭的实际推力，与当时的火箭加速度进行比较。最终完成的弹载数据采集装置，能够满足固液动力探空火箭数据采集的各项性能要求，满足弹上电气设备的环境要求，稳定性强，可靠性好，能够顺利完成预定的数据采集任务。同时，所设计的箭载数据采集电路简单、成本低，通过高低温、振动、冲击、过载等环境试验，并且经过多次飞行验证，能够实现固液探空火箭飞行过程中的实际推力的监控、测量，电路性能安全、可靠。本专利技术是一种固液动力探空火箭箭载数据采集装置，涉及弹载数据采集领域，主要完成三路单轴加速度计、测量储箱压力的压力变送器、测量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。探空火箭的箭载数据采集电路设计时应考虑如下原则(I)数据采集电路的部件设计及元器件选用时，应尽量考虑小型化、轻量化。这是因为箭体结构紧凑和有效空间小从而使箭上设备的体积、重量受到严格限制，要求各部件安排紧凑；(2)设计时保证可靠性的前提下，充分考虑经济性。这是因为固液动力探空火箭用于科学实验和常规探测时，要求批量较大；(3)在电路设计是，必须充分考虑固液动力探空火箭比较恶劣的飞行力学环境(包括振动、冲击、过载等)。这是因为狭小的空间造成仪器设备安装密度大，设备工作时散热环境较差，发动机工作和弹上火工品引爆所形成的机械激励、声激励和飞行时弹体气动效应使各种设备本文档来自技高网...

【技术保护点】
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支路与GND端口通过C5电容相连，C5=10uF；一路+28V电压输入电平转换芯片L7824的IN端口，其GND和OUT支路间并联一个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支路间也并联一个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=CapPOL？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；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=20K，本专利技术中未注明单位的电阻的单位为欧姆，一路接入微分控制器LM158J/883的正端口3，一路接Ra2，Ra2=20K，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=20K，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=20K，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=2K，一路输入TPL521？1的1端口，一路输入R37，R37=1M，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端口后的一路输出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=470；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=200K，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=Rm...

【技术特征摘要】
1.一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I引脚；电容FO、Fl的一端连接合并端，FO=FI=IOOuF,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REGl117-5的IN端口，2个OUT端口并联输出5V电压，其中一个OUT支路与GND端口通过C5电容相连，C5=10uF ；一路+28V电压输入电平转换芯片L7824的IN端口，其GND和OUT支路间并联一个C28电容和一个C29电容，C28=10pF, C29=0. IpF ；0UT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支路间也并联一个C26电容和一个C27电容，C26=10pF, C27=0. IpF,同时，GND和IN端通过C24电容相连，C24=CapP0L 3. 3uF ；0UT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；其中一个微分控制器的连接为加速度计的输出信号AOP经Ral电阻后分三路，Ral=20K，本发明中未注明单位的电阻的单位为欧姆，一路接入微分控制器LM158J/883的正端口 3，一路接Ra2，Ra2=20K，一路接Cal，Cal=IOOpF,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=20K，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=20K, 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=2K，一路输入TPL521-1的I端口，一路输入R37，R37=1M，一路输入C14，C14=0. IuF ；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端口后的一路输出I/O量，I/O量通过控制芯片的PB 进行监测，一路经R34接3. 3V电压，R34=470 ;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. I、Atemp. 2 ;DHa_DY+、DHb_DY+、DHc_DY+、Ap. 01、Ap. 02、Atemp. I、Atemp. 2 信号分别经过电阻 Rml、Rm3、Rm5、Rm7、Rm9、Rmll、Rml3 分压后，Rml=Rm3=Rm5=Rm7=Rm9=Rmll=Rml3=200K，引出每一路得到分压后的信号ARM. AD ，ARM. AD 信号随后直接入控制芯片的PA;引出的另外每一路分别经过Rm2、Rm4、Rm6、Rm8、RmlO、Rml2、Rml4 接数字地，Rm2=Rm4=Rm6=Rm8=Rml0=Rml2=Rml4=20K ； 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=2K7，一路输入TPL521-1的I端口，一路输入R76，R76=750，一路输入C13，C13=0. IuF 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=2k ;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，在它未变化前未采集并发送状态，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CU,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IE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；VDD引脚接VCC电压；GND引脚接数字地；0UT/OTf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=1K，LED灯的另一端为VCC JZC-078的 CtrlB 接 VCC ；B01、B02 接地面 28V ；A1、A2 接电池 28V ； 滤波电路具体为3. 3V电压和数字地间并联电容R)l、F02, F03和F10，F01=F02=F03=0. LFlO=IO ;本发明通过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；本发明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[1:3]分别经 Cvl、Cv2、Cv3 接模拟地，Cvl=Cv2=Cv3=30pF ；ADC. VIN4、ADC. VIN5、ADC. VIN6 分别一端接Cv4、Cv5、Cv6,另一端接电阻 Rv5、Rv6，Rv5=Rv6=500 ;Rv4、Rv5、Rv6、Cv4、Cv5、Cv6 的另一端接模拟地，地面地分别经Rgl、Rg2与模拟地、数字地相连；其中Rgl=Rg2=0，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-31TJff-J的I、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引脚接弹载地，7、8引脚接485端口，4、5引脚接“地面供电信号”端口，20接“转电控制信号”端口，21接“复位与紧急断电控制信号”，22至27引脚接电磁阀正负端； J30J-25ZKW的I至6引脚接模拟地，7、8、9接20V电压，10、11接24V电压，12、13、24、25为压力传感器信号Ap. OUAp. 02> Atemp. UAtemp. 2的输入端，14至21引脚为加速度计信号AOP [1:4]和A0N[1:4]的输入端，22、23为预留接口 AOP [5:6]； J30J-9TJW-J的9、6、7、8引脚定义为串行时钟线SCLK、主机输入/从机输出数据线MIS0、主机输出/从机输入数据线MOSI和eeROM，分别经过RplA、PplB, RplC电阻对应于核心板上的25LC256芯片的履、SC...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋佳，蔡国飙，辛洁，孔德帅，陈辰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：