基于PXI技術(shù)的運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)外系統(tǒng)等效裝置的設(shè)計

鄧 健，漆光平，王永利，周 歡，丁芳頤

（北京航天自動控制研究所，北京，100854）

基于PXI技術(shù)的運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)外系統(tǒng)等效裝置的設(shè)計

鄧 健，漆光平，王永利，周 歡，丁芳頤

（北京航天自動控制研究所，北京，100854）

運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)與外系統(tǒng)的接口功能的檢驗是控制系統(tǒng)設(shè)備交付使用前的必要條件。提出了一種基于PXI技術(shù)的控制系統(tǒng)外系統(tǒng)等效裝置設(shè)計方案，該等效裝置將控制系統(tǒng)的信號通過相應(yīng)的調(diào)理板電路轉(zhuǎn)換成PXI板卡可以識別的信號，上位機(jī)軟件按照一定的算法將信號還原成控制系統(tǒng)的輸出信號，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與顯示。試驗結(jié)果表明，該等效裝置可靠性高且性能穩(wěn)定，已成功應(yīng)用于航天測試系統(tǒng)。

運(yùn)載火箭；控制系統(tǒng)；等效裝置；PXI技術(shù)

0 引 言

控制系統(tǒng)是運(yùn)載火箭的重要組成部分，自動化測試程度高、測試項目全面、覆蓋面寬。但控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)接口的測試項目在綜合測試中大部分依靠手動測試，測試項目不夠全面（如人工使用通用信號源加激勵、在產(chǎn)品不加電的情況下進(jìn)行遙測電阻測量等），具有測試狀態(tài)復(fù)雜、工作量大、耗費(fèi)大量的人力且容易出錯，測試覆蓋性低等特點(diǎn)。目前，運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)（包括測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)）的地面電氣系統(tǒng)已有等效箭上電氣系統(tǒng)的等效裝置，能夠較好地實(shí)現(xiàn)自動化測試。中國衛(wèi)星在研制過程中也有了衛(wèi)星供配電等效裝置。但運(yùn)載火箭的控制系統(tǒng)還沒有外系統(tǒng)等效裝置可以實(shí)現(xiàn)外系統(tǒng)接口的自動化測試[1～4]。

PXI（PCI Extensions for Instrumentation）技術(shù)是PCI（Peripheral Component Interconnect）總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是一種基于PC技術(shù)的面向測試測量和自動化應(yīng)用的堅固平臺，與CPCI總線兼容，并擁有PCI總線的一切優(yōu)點(diǎn)，同時還具備體積小、可靠性高、支持廠家眾多等優(yōu)點(diǎn)。隨著計算機(jī)技術(shù)和總線技術(shù)的發(fā)展，PXI總線已成為應(yīng)用較為最廣泛的測控總線之一[5,6]。本文提出了基于PXI技術(shù)的外系統(tǒng)等效裝置，不但可以對控制系統(tǒng)與外系統(tǒng)的接口進(jìn)行全面測試，還具有可靠性高、狀態(tài)簡單、節(jié)省人力等特點(diǎn)。特別是在目前中國航天領(lǐng)域高密度發(fā)射的大背景下，對火箭系統(tǒng)的快速、可靠研制有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

外系統(tǒng)等效裝置系統(tǒng)原理如圖1所示。由圖1可見，控制系統(tǒng)的信號先進(jìn)入外系統(tǒng)等效裝置的信號調(diào)理模塊，經(jīng)過信號調(diào)理模塊的調(diào)理板轉(zhuǎn)換成模擬板卡和數(shù)字板卡可以識別的信號，PXI采集模塊采集到信號并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)和波形的顯示等功能。

圖1 外系統(tǒng)等效裝置系統(tǒng)原理

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 PXI采集模塊的設(shè)計

PXI采集模塊是外系統(tǒng)等效裝置的核心部分，選用NI公司PXI-1031板卡作為控制單元，PXI-1031作為采集控制器專為PXI機(jī)箱設(shè)計，選用基于PXI-1031控制器的3U機(jī)箱，控制器PXI-1031能夠接受3U PXI和Compact PCI模塊。因此，選用PXI-1031控制器，就可以在機(jī)箱內(nèi)根據(jù)需要擴(kuò)展相應(yīng)PXI板卡，應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和測量。

對于采集控制系統(tǒng)的模擬信號，要求等效裝置要有較高的采樣深度和通道掃描速度，故選用NI公司的PXI-6255模擬板卡；PXI-6255具有80通道模擬AIO和24通道數(shù)字DIO，其中模擬通道的每通道獨(dú)立采樣率可達(dá)750 kS/s，采樣深度可達(dá)16 bit。另外，擴(kuò)展的16個數(shù)字通道可直接用于驅(qū)動光耦。

對于采集控制系統(tǒng)輸出的數(shù)字量，要求等效裝置要有較高的計時精度與實(shí)時性，且需要并行處理，因此選用NI公司的FPGA板卡PXI-7813R；PXI-7813R具有160通道數(shù)字DIO，F(xiàn)PGA板卡時鐘為40 MHz，相當(dāng)于每25 ns進(jìn)行1次處理，且所有通道可并發(fā)執(zhí)行，滿足實(shí)時性要求。

1.2 信號調(diào)理模塊設(shè)計

信號調(diào)理模塊的設(shè)計根據(jù)信號性質(zhì)的不同對應(yīng)不同的調(diào)理電路。本文對其直流電壓信號、帶電數(shù)字信號、數(shù)字量通訊信號、慣性測量組合（以下簡稱慣組）運(yùn)行信號的調(diào)理電路進(jìn)行設(shè)計。

1.2.1 模擬信號調(diào)理電路

模擬信號調(diào)理電路如圖2所示。

圖2 模擬信號調(diào)理電路

圖2 中的電路由可調(diào)電阻、阻抗匹配、隔離放大和隔離電源部分組成，可用于直流電平信號、直流電壓緩變信號的處理。直流電壓信號先通過可調(diào)電阻部分的分壓后，進(jìn)入由運(yùn)放OP07構(gòu)成的阻抗匹配電路，最后經(jīng)過ISO124芯片隔離放大、濾波后送給PXI-6255處理，DC-DC模塊WRA2415KS-1W用于給ISO124前級產(chǎn)生1組±15 V的隔離電源，這樣整個電路只需要1組±15 V電源給ISO124的后級供電即可，注意阻抗匹配電路和隔離放大電路的工作電壓范圍都在±10 V內(nèi)，可調(diào)電阻分壓后輸出的電壓必須保證在±10 V內(nèi)。當(dāng)信號電壓已經(jīng)在±10 V內(nèi)，即便電位器移至最上端也會對輸入信號造成1/2的分壓，盡管16 bit采樣深度的PXI6255板卡損失1 bit后仍有15 bit，滿足采樣深度不小于12 bit的要求，但對于小信號電壓來說，信噪比太小，因此本方案給每路模擬信號預(yù)留了一組短路帽，當(dāng)被測電壓低于±10 V時，套上短路帽即可。1.2.2 帶電數(shù)字信號調(diào)理電路

相似帶電數(shù)字信號調(diào)理電路如圖3所示。相似帶電數(shù)字信號包括帶電觸點(diǎn)信號、脈沖信號、開關(guān)信號。由于這些信號都是方波信號，因此接口電路統(tǒng)一用光耦實(shí)現(xiàn)。通過遙測端限流電阻的阻值，保證光耦工作電流位于5～15 mA的范圍內(nèi)，并讓接收門檻電壓為輸入信號最高電平的1/2。當(dāng)輸入信號為高電平時，驅(qū)動光耦導(dǎo)通，發(fā)光二極管使光敏三極管進(jìn)入飽和區(qū)，光耦輸出低電平；當(dāng)輸入信號為低電平時，光敏三極管工作于截止區(qū)，光耦輸出高電平。

圖3 相似帶電數(shù)字信號調(diào)理電路

1.2.3 數(shù)字量通訊信號調(diào)理電路

圖4為請求信號調(diào)理電路，其中遙測請求信號由測試平臺發(fā)往控制系統(tǒng)，作為請求信號，控制系統(tǒng)認(rèn)定信號下降沿有效，接口電路采用光耦形式，可采用模擬板卡上驅(qū)動能力較大的DIO實(shí)現(xiàn)遙測請求功能。

圖4 請求信號調(diào)理電路

移位數(shù)碼信號由控制系統(tǒng)發(fā)往測試平臺，故調(diào)理電路應(yīng)為光耦接收電路，此電路結(jié)構(gòu)與相似帶電數(shù)字信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)基本一致。

1.2.4 慣組運(yùn)行信號調(diào)理電路

慣組運(yùn)行信號調(diào)理電路如圖5所示，圖5慣組運(yùn)行信號的幅度為0～(5±0.5) V，頻率不大于10 Hz，由于輸入信號的高電平不足以直接驅(qū)動光耦，因此測試平臺前級采用了滯回比較器設(shè)計方案，電路中的LM311比較器接成了滯回的形式，不但滿足了系統(tǒng)對測試平臺測試電流的要求，而且消除了信號紋波造成的災(zāi)難性輸出抖動。

圖5 慣組運(yùn)行信號調(diào)理電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件開發(fā)平臺采用NI公司的LabVIEW2009軟件，LabVIEW是一種基于C語言的圖形化開發(fā)平臺，主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、預(yù)處理及分析，利用LabVIEW可以實(shí)現(xiàn)多種總線與儀器串口驅(qū)動程序的協(xié)調(diào)工作，利用清晰簡潔的菜單圖標(biāo)替代以往復(fù)雜的語言編寫，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行文件的獨(dú)立運(yùn)行[7,8]。

上位機(jī)軟件主要有3個功能模塊：

a）測試任務(wù)的管理模塊，主要用于測試任務(wù)的添加、修改和刪除。

b）測試任務(wù)配置，是指針對一類被測對象進(jìn)行測試時，需要配置的全部信息，每一個測試任務(wù)，定義了在相應(yīng)任務(wù)的測試的整個過程中軟件控制各種儀器和模塊，施加激勵、測量響應(yīng)的全部過程。

c）測試任務(wù)執(zhí)行，主要包括任務(wù)的啟動和停止。當(dāng)系統(tǒng)啟動后，板卡進(jìn)行自檢和初始化參數(shù)設(shè)置。在上位機(jī)軟件選擇相應(yīng)的測試任務(wù)并且啟動測試，模擬量采集和數(shù)字量采集程序同時打開并運(yùn)行，當(dāng)用戶在人機(jī)界面點(diǎn)擊“停止”時，系統(tǒng)所有程序停止運(yùn)行，結(jié)束當(dāng)前測試任務(wù)。

2.1 模擬信號采集程序設(shè)計

模擬量采集流程如圖6所示。在程序設(shè)計中使用NI-DAQmx創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)來創(chuàng)建1個模擬輸入通道并對通道的輸入端進(jìn)行設(shè)置，創(chuàng)建輸入最小值和最大值端口并配置模擬輸入的接地參考。

用NI-DAQmx定時函數(shù)來規(guī)定采樣時鐘，同時創(chuàng)建時鐘的采樣模式輸入端和每通道額定采樣數(shù)輸入端。NI-DAQmx開始任務(wù)函數(shù)來讀取FIFO中的采樣值，并通過寫入測量函數(shù)將讀到的采樣值采用相應(yīng)的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后得到的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示，并且將數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)的文件中，當(dāng)接收到系統(tǒng)外部的結(jié)束命令后，停止此次采集任務(wù)。

圖6 模擬量采集流程

2.2 數(shù)字量采集程序設(shè)計

數(shù)字量采集流程如圖7所示，在程序設(shè)計中使用NI-DAQmx創(chuàng)建一個數(shù)字輸入通道。

圖7 數(shù)字量采集流程

NI-DAQmx開始任務(wù)函數(shù)來運(yùn)行此次采集任務(wù)。NI-DAQmx讀取函數(shù)來讀取FIFO中的采樣值，根據(jù)系統(tǒng)配置決定是記錄脈沖數(shù)還是實(shí)時顯示讀到的數(shù)字量數(shù)據(jù)，將讀到的數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)的文件中，當(dāng)接收到系統(tǒng)外部的結(jié)束命令之后，停止此次采集任務(wù)。

3 試驗結(jié)果及分析

外系統(tǒng)等效裝置對控制系統(tǒng)發(fā)來的信號進(jìn)行采集、處理、存儲，并以波形的方式顯示，模擬量采集功能、脈沖數(shù)技術(shù)功能均通過了與某運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，測量到的控制系統(tǒng)的模擬量波形如圖8所示。

圖8 模擬量測量

脈沖數(shù)計數(shù)如表1所示，數(shù)字量數(shù)據(jù)見表2。

表1 脈沖數(shù)計數(shù)

表2 數(shù)字量數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文提出的基于PXI技術(shù)的外系統(tǒng)等效裝置，可對控制系統(tǒng)與外系統(tǒng)的接口在控制系統(tǒng)交付使用前得到全面、有效的自動化測試，可以避免手動測試帶來的狀態(tài)復(fù)雜、測試效率低、容易出錯、測試項目覆蓋不全面等問題。由于項目采用了PXI技術(shù)，使得設(shè)備具有一定的通用性，可以通過增加調(diào)理板卡，和模擬、數(shù)字采集板卡的形式增加硬件通路，使其能夠適應(yīng)更多的運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)。

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續(xù)圖2

從圖1中可知，位置分量的比對差值在5 m以內(nèi)，與標(biāo)稱彈道基本吻合；從圖2中可知，速度分量比對差的量值為厘米級。較之常規(guī)雷達(dá)測量數(shù)據(jù)定位結(jié)果，位置分量精度提高50%以上，速度分量精度提高1個數(shù)量級。

3 結(jié) 論

短基線干涉儀是航天發(fā)射場中重要的測控設(shè)備，承擔(dān)各種型號的火箭跟蹤測量任務(wù)，提供發(fā)射場安全控制系統(tǒng)所需的安全信息以及上升段航天器的外彈道參數(shù)信息，為保障發(fā)射安全和火箭的研制部門改進(jìn)火箭性能發(fā)揮著重要作用。雷達(dá)測速、測元和短基線干涉儀測元數(shù)據(jù)的有效融合，實(shí)現(xiàn)了利用航區(qū)冗余的測速、測量數(shù)據(jù)完成高精度的外彈道數(shù)據(jù)處理。該方法的使用，為處理短基線干涉儀測量數(shù)據(jù)開拓了新的技術(shù)途徑，也為后續(xù)的航天發(fā)射任務(wù)數(shù)據(jù)處理工作的完成提供技術(shù)支持。

參 考 文 獻(xiàn)

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Design of External System Equivalent Device Based on PXI Technology

Deng Jian, Qi Guang-ping, Wang Yong-li, Zhou Huan, Ding Fang-yi
(Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing, 100854)

The check for interface function between launch vehicle control system and other systems is the requirement that delivered for use. A designing scheme of external system equivalent device based on the PXI technology is proposed. The signal of control system can be converted into the signal that the PXI board can recognize by equivalent device. Upper machine software can recover the signal of control system according to certain algorithm, and realize automatic data storage, display function. The result of test with a certain launch vehicle control system indicates that the external system equivalent is a high reliability and stable function of the equivalent, it has been applied in a space system.

Launch vehicle; Control system; Equivalent device; PXI technology

V233.7

A

1004-7182(2016)04-0102-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160426

2016-02-03

鄧 ?。?984-），男，工程師，主要研究方向為飛行器控制系統(tǒng)綜合技術(shù)