分布式脈沖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

作者/ 陳宇峰 薛征 陳杭 上海航天控制技術(shù)研究所(上海 201109)

　　摘要：針對(duì)火箭脈沖信號(hào)通道多、寬度窄、時(shí)序復(fù)雜、精度高等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一套高精度分布式冗余脈沖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件采用CPCI結(jié)構(gòu)脈沖調(diào)理板卡、脈沖采集板、冗余供電電源和脈沖信號(hào)顯示燈組成。系統(tǒng)軟件采用Labview平臺(tái)開發(fā)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脈沖信號(hào)，顯示脈沖寬度、脈沖次數(shù)、脈沖到達(dá)北京時(shí)間、脈沖到達(dá)相對(duì)時(shí)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(shí)序并與系統(tǒng)硬件中的脈沖信號(hào)顯示燈對(duì)應(yīng)。系統(tǒng)試驗(yàn)完成后，通過回放文件中保存的脈沖到達(dá)時(shí)序和硬件板卡中存放的脈沖試驗(yàn)信息驗(yàn)證查看試驗(yàn)效果。

引言

　　運(yùn)載火箭時(shí)序系統(tǒng)在火箭飛行過程中按預(yù)先確定的時(shí)序和時(shí)間接通或斷開相應(yīng)電路的時(shí)間控制指令串，指令串采用脈沖信號(hào)的形式發(fā)送到各個(gè)執(zhí)行部件，控制火箭飛行。

　　高精度分布式脈沖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)載火箭時(shí)序系統(tǒng)在地面試驗(yàn)過程中發(fā)出的脈沖信號(hào)，記錄脈沖次數(shù)、到達(dá)時(shí)間、寬度和時(shí)序，并與試驗(yàn)要求時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，驗(yàn)證時(shí)序系統(tǒng)信號(hào)，監(jiān)測(cè)火箭時(shí)序控制部件。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由測(cè)試電纜、測(cè)試設(shè)備和測(cè)試軟件三部分組成。測(cè)試電纜即能適用實(shí)驗(yàn)環(huán)境，也可適應(yīng)發(fā)射場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境，電纜外層采用絕緣橡膠保護(hù)。測(cè)試設(shè)備采用定制CPCI機(jī)箱，機(jī)箱中插入6塊3U脈沖調(diào)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(hào)燈。脈沖調(diào)理卡調(diào)理脈沖信號(hào)，點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的面板顯示燈，同時(shí)通過定制的CPCI背板傳輸?shù)矫}沖采集卡中;脈沖采集卡實(shí)時(shí)采集脈沖信號(hào)，存儲(chǔ)到板卡設(shè)計(jì)的FLASH存儲(chǔ)器中，可使用上位機(jī)軟件事后導(dǎo)出，同時(shí)脈沖采集卡通過485串口與上位機(jī)軟件進(jìn)行應(yīng)答式通訊，上傳脈沖數(shù)據(jù)。面板LED信號(hào)燈采用面板貼膜的方式顯示信號(hào)燈對(duì)應(yīng)的物理含義，不同的物理含義可通過更換貼膜實(shí)現(xiàn)更改。測(cè)試軟件采用Labview平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)，軟件采用配置文件配置試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)序，同時(shí)使用表格和虛擬燈的形式顯示脈沖信號(hào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，虛擬燈與測(cè)試設(shè)備面板的信號(hào)燈一一對(duì)應(yīng)。軟件實(shí)時(shí)保存信號(hào)試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)，并可在事后回放試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與測(cè)試設(shè)備中存儲(chǔ)的脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。

　　1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　嵌入式測(cè)試設(shè)備采用4UCPCI架構(gòu)，對(duì)每塊印制板采用六點(diǎn)定位并帶鎖緊裝置和助拔裝置，方便調(diào)試和拆裝。印制板采用標(biāo)準(zhǔn)3U高度設(shè)計(jì)，為標(biāo)準(zhǔn)CPCI板卡尺寸。板卡插槽用于插入脈沖信號(hào)調(diào)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(biāo)準(zhǔn)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(jù)電路中的功耗計(jì)算，此類電源符合設(shè)備的一類降額標(biāo)準(zhǔn)，并且對(duì)其冗余設(shè)計(jì)，即用兩個(gè)相同的電源并聯(lián)輸出，即使一個(gè)電源發(fā)生故障，設(shè)備也不會(huì)停止工作，從而保證測(cè)試設(shè)備安全、可靠地工作。設(shè)備組成框圖如圖2所示。

　　每個(gè)嵌入式采集設(shè)備前面板上有LED信號(hào)顯示燈和設(shè)備復(fù)位按鈕，復(fù)位按鈕可復(fù)位面板燈顯示狀態(tài)。插槽中有6塊板卡，每塊板卡可調(diào)理12路脈沖信號(hào)，高端一點(diǎn)雙線，低端單點(diǎn)單線，共72路。設(shè)備通電后，上位機(jī)軟件給各臺(tái)嵌入式采集設(shè)備發(fā)送開始命令，測(cè)試設(shè)備開始監(jiān)測(cè)箭上信號(hào)并開始計(jì)時(shí)。當(dāng)箭上時(shí)序系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號(hào)，嵌入式采集設(shè)備通過脈沖信號(hào)調(diào)理卡調(diào)理脈沖信號(hào)，然后把信號(hào)發(fā)送到嵌入式采集設(shè)備前面板，用LED燈顯示，并保持燈亮至復(fù)位按鈕按下，同時(shí)該信號(hào)被FPGA脈沖采集板卡實(shí)時(shí)采集調(diào)理信號(hào)，存儲(chǔ)在FPGA脈沖采集板卡的FRAM中，當(dāng)上位機(jī)軟件發(fā)送數(shù)據(jù)提取命令，F(xiàn)PGA脈沖采集板卡上傳脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)給上位機(jī)軟件。

　　脈沖調(diào)理板卡設(shè)計(jì)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(hào)不響應(yīng)，遲滯電壓為1V，比較器輸出經(jīng)后端磁耦隔離和電平轉(zhuǎn)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(dòng)濾除。