分布式脈沖監(jiān)測系統(tǒng)

作者/ 陳宇峰 薛征 陳杭 上海航天控制技術研究所(上海 201109)

　　摘要：針對火箭脈沖信號通道多、寬度窄、時序復雜、精度高等特點，本文設計了一套高精度分布式冗余脈沖監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件采用CPCI結構脈沖調理板卡、脈沖采集板、冗余供電電源和脈沖信號顯示燈組成。系統(tǒng)軟件采用Labview平臺開發(fā)，實時監(jiān)測脈沖信號，顯示脈沖寬度、脈沖次數、脈沖到達北京時間、脈沖到達相對時間，以表格的形式顯示脈沖信息，以虛擬燈的形式顯示脈沖時序并與系統(tǒng)硬件中的脈沖信號顯示燈對應。系統(tǒng)試驗完成后，通過回放文件中保存的脈沖到達時序和硬件板卡中存放的脈沖試驗信息驗證查看試驗效果。

引言

　　運載火箭時序系統(tǒng)在火箭飛行過程中按預先確定的時序和時間接通或斷開相應電路的時間控制指令串，指令串采用脈沖信號的形式發(fā)送到各個執(zhí)行部件，控制火箭飛行。

　　高精度分布式脈沖監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測運載火箭時序系統(tǒng)在地面試驗過程中發(fā)出的脈沖信號，記錄脈沖次數、到達時間、寬度和時序，并與試驗要求時序進行數據比對，驗證時序系統(tǒng)信號，監(jiān)測火箭時序控制部件。

1 系統(tǒng)設計

　　系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。監(jiān)測系統(tǒng)由測試電纜、測試設備和測試軟件三部分組成。測試電纜即能適用實驗環(huán)境，也可適應發(fā)射場惡劣的工作環(huán)境，電纜外層采用絕緣橡膠保護。測試設備采用定制CPCI機箱，機箱中插入6塊3U脈沖調理卡、1塊脈沖采集卡、2塊互為熱備份的供電電源和1塊面板LED信號燈。脈沖調理卡調理脈沖信號，點亮對應的面板顯示燈，同時通過定制的CPCI背板傳輸到脈沖采集卡中;脈沖采集卡實時采集脈沖信號，存儲到板卡設計的FLASH存儲器中，可使用上位機軟件事后導出，同時脈沖采集卡通過485串口與上位機軟件進行應答式通訊，上傳脈沖數據。面板LED信號燈采用面板貼膜的方式顯示信號燈對應的物理含義，不同的物理含義可通過更換貼膜實現(xiàn)更改。測試軟件采用Labview平臺開發(fā)設計，軟件采用配置文件配置試驗標準信號時序，同時使用表格和虛擬燈的形式顯示脈沖信號試驗數據，虛擬燈與測試設備面板的信號燈一一對應。軟件實時保存信號試驗過程數據，并可在事后回放試驗數據，與測試設備中存儲的脈沖數據進行比對驗證。

　　1.1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

　　嵌入式測試設備采用4UCPCI架構，對每塊印制板采用六點定位并帶鎖緊裝置和助拔裝置，方便調試和拆裝。印制板采用標準3U高度設計，為標準CPCI板卡尺寸。板卡插槽用于插入脈沖信號調理板卡、脈沖采集板卡和電源供電模塊。脈沖采集板卡與電源板卡隔槽安裝，防止電源板卡干擾FPGA脈沖采集板卡正常工作。電源模塊采用標準的250W RTX電源，該電源模塊使用CPCI總線，有5V/33A、3.3V/33A、12V/6A和-12V/1.5A輸出端口。根據電路中的功耗計算，此類電源符合設備的一類降額標準，并且對其冗余設計，即用兩個相同的電源并聯(lián)輸出，即使一個電源發(fā)生故障，設備也不會停止工作，從而保證測試設備安全、可靠地工作。設備組成框圖如圖2所示。

　　每個嵌入式采集設備前面板上有LED信號顯示燈和設備復位按鈕，復位按鈕可復位面板燈顯示狀態(tài)。插槽中有6塊板卡，每塊板卡可調理12路脈沖信號，高端一點雙線，低端單點單線，共72路。設備通電后，上位機軟件給各臺嵌入式采集設備發(fā)送開始命令，測試設備開始監(jiān)測箭上信號并開始計時。當箭上時序系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號，嵌入式采集設備通過脈沖信號調理卡調理脈沖信號，然后把信號發(fā)送到嵌入式采集設備前面板，用LED燈顯示，并保持燈亮至復位按鈕按下，同時該信號被FPGA脈沖采集板卡實時采集調理信號，存儲在FPGA脈沖采集板卡的FRAM中，當上位機軟件發(fā)送數據提取命令，F(xiàn)PGA脈沖采集板卡上傳脈沖信號數據給上位機軟件。

　　脈沖調理板卡設計如圖3所示。

　　脈寬Vin輸入電壓為25V～40V ，與Vref作比較，低于10V脈沖信號不響應，遲滯電壓為1V，比較器輸出經后端磁耦隔離和電平轉換，送入FPGA采樣脈沖采集板卡，脈寬寬度小于60μs，由FPGA脈沖采集板卡自動濾除。