一種高可靠航天器火工品等效器的設(shè)計與實現(xiàn)

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(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109； 2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109)

一種高可靠航天器火工品等效器的設(shè)計與實現(xiàn)

夏小東1，康嶺1，陳巍2，陳宇峰2，沈宗月1，吳建桔1

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109； 2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海201109)

目前航天器電傳爆火工品采用脈寬信號起爆，一般多個點同時起爆，路數(shù)較多且脈寬窄；針對航天器地面模飛測試時，精確監(jiān)測各個火工品起爆次數(shù)和起爆指令脈寬問題，提出了一種火工品等效器的設(shè)計方案，它由PXI工控機、通用板卡和專用板卡,以及備份數(shù)據(jù)瀏覽終端等4部分組成，具有可靠性高、通用性強、維修性好等特點，已在YZ-3上面級中得到應(yīng)用，對整器自動化測試和發(fā)射起到了有力的支持作用。

航天器；火工品等效器；主備冗余；PXI總線

0 引言

在航天器發(fā)射任務(wù)過程中，器箭分離、級間分離、太陽電池翼展開、天線展開等關(guān)鍵動作，多采用電傳爆火工裝置來實現(xiàn)[1]。因此，火工品供電電路和控制電路的可靠性狀態(tài)尤為重要，在測試的各個環(huán)節(jié)需對其進行有效檢測?？紤]到航天器火工品的高危險性和高成本，通常在地面測試中不使用真實的航天器火工品?；鸸て返刃鞯母拍钫窃谶@種背景下提出的，它模擬火工品的工作機理與性能參數(shù)，與火工品供電控制電路相連,并對其進行測試[2]。這種方式不僅實現(xiàn)了對火工品的控制電路和供電電路的檢測，同時也解決了測試中經(jīng)濟耗費較大的弊端。目前，大多數(shù)火上品等效器僅能夠測試供電通路是否正常，不能實現(xiàn)對時序指令(脈沖時序)的精確測試。

基于此，本文提出了一種基于PXI工控機架構(gòu)火工品等效器方案，實現(xiàn)了器上火上品供電通路以及時序指令的多參數(shù)一體化測試，提升了系統(tǒng)聯(lián)合測試的水平，同時也保證測試的可靠性及智能化程度。

1 總體設(shè)計

火工品等效器需要具有極高的可靠性，在設(shè)計過程中系統(tǒng)采用了基于PXI 技術(shù)的硬件平臺。該火工品等效器主要實現(xiàn)96路火工品起爆脈沖時序信號的檢測、處理、存儲和顯示，并可通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳遞到遠(yuǎn)程終端進行實時顯示。系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)商用工控計算機和PXI總線背板、零槽控制器、信號采集與處理模塊和數(shù)據(jù)備份模塊，以及電源模塊等組成，如圖1所示。

圖1 火工品等效器的組成原理框圖

火工品等效器系統(tǒng)的工作原理為：待測火工品起爆信號由6個信號采集與處理模塊進行采集、處理和存儲，通過PXI的數(shù)據(jù)通信背板把采集的數(shù)據(jù)傳輸給零槽控制器。其中，每個信號采集與處理模塊設(shè)計有16個信號檢測通道。零槽控制器安裝Windows XP操作系統(tǒng)，通過PXI總線接收數(shù)據(jù)處理模塊的各項數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)庫實時存儲和顯示。零槽控制器還可通過以太網(wǎng)口與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端進行交互。另外，為了防止因零槽控制器故障或者上位機軟件故障導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常使用，數(shù)據(jù)備份模塊可以通過總線背板實時讀取6個信號采集與處理模塊存儲器數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)打包并通過RS-232接口轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)傳遞給備份數(shù)據(jù)瀏覽終端進行顯示，從而實現(xiàn)了火工品等效器系統(tǒng)的冗余架構(gòu)設(shè)計，滿足高可靠性的使用需求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件平臺集成

PXI總線控制器通過PXI總線對各PXI功能模塊進行控制和交換，考慮到能夠滿足測試速度和數(shù)據(jù)庫管理的需求，選用凌華公司的PXI-3950型零槽控制器，它配置英特爾T7500 Core2 Duo 2.2 GHz雙核處理器，4G 667 MHz DDR2內(nèi)存，內(nèi)置120 G 硬盤，提供7個PXI外設(shè)槽位，還配有2個千兆網(wǎng)卡、2個RS-232和4個USB；也可外接顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤等。電源模塊采用雙電源熱冗余供電，保證整個等效器系統(tǒng)供電的安全性和可靠性。

2.2 信號采集與處理模塊的設(shè)計

信號采集與處理模塊設(shè)計有16個信號檢測通道，采用子母板架構(gòu)，子板主要實現(xiàn)信號處理，母板為主和備FPGA與PCI9054組成的總線協(xié)議板，如圖2所示。每個信號通道經(jīng)濾波電路濾除低電壓干擾后，再通過電平轉(zhuǎn)換并經(jīng)光耦電路隔離，送入子母板的板間接口。母板的FPGA芯片同時監(jiān)測這16信號，并在收到上升沿和下降沿時，對相對時間進行計時，能夠?qū)? us以下的信號變換進行響應(yīng)。然后對瞬時干擾信號進行濾波處理，將有效數(shù)據(jù)進行放入緩存。從而，實現(xiàn)每個信號通道可檢測電壓幅值為10～32 V，脈沖寬度大于500 μs的脈沖信號。

由于電氣負(fù)載的原因，PXI總線上連接過多的電氣負(fù)載或設(shè)備將不能正常工作。在不擴充總線的情況下，標(biāo)準(zhǔn)PCI總線的驅(qū)動能力是驅(qū)動4個PCI插槽, 而Compact PCI控制器模塊要求允許驅(qū)動7個儀器模塊，因此需要在ETX 的PCI總線和CPCI機箱底板的PCI總線之間引入PCI- PCI 橋接設(shè)備。由于采用可編程邏輯器件實現(xiàn)PCI總線需要繁復(fù)的邏輯驗證和時序分析工作，綜合考慮設(shè)計需求和系統(tǒng)優(yōu)化，選擇PLX 公司的PCI-PCI 橋接芯片PCI9054設(shè)計 PCI 接口。PCI9054負(fù)責(zé)與零槽的數(shù)據(jù)交換，當(dāng)收到數(shù)據(jù)采集開始命令后，各信號采集與處理模塊開始采集信號，將脈沖信號到達(dá)的時刻，脈沖寬度，保存至FPGA的內(nèi)存中，由零槽和實時數(shù)據(jù)備份模塊實時讀取。

機箱電源經(jīng)隔離DC-DC變換器后，給母板和信號處理電路供電，實現(xiàn)信號處理電路的“地”實現(xiàn)與機箱“電源地”進行隔離，防止電源干擾FPGA的正常工作。

圖2 信號采集與處理模塊原理框圖

2.3 數(shù)據(jù)備份模塊的設(shè)計

數(shù)據(jù)備份模塊主要有電平轉(zhuǎn)換電路、FPGA主芯片、PCI協(xié)議芯片和RS-232通信接口隔離轉(zhuǎn)換電路等組成，原理框圖如圖3所示。各信號采集與處理模塊的信號數(shù)據(jù)通過PXI總線背板傳至數(shù)據(jù)備份模塊上，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路后，由FPGA采集處理和存儲。RS-232接口采用ADI公司的ADM2483BRW芯片，將FPGA的CMOS電平進行轉(zhuǎn)換，同時該芯片可實現(xiàn)磁耦隔離功能，確保內(nèi)部模塊的“地”與外部遠(yuǎn)程通訊設(shè)備“地”的隔離。

數(shù)據(jù)備份模塊另外一個重要功能是實現(xiàn)6個信號采集與處理模塊的同步觸發(fā)。具體工作原理為：由PCI9054負(fù)責(zé)與零槽的數(shù)據(jù)交換，當(dāng)模塊收到數(shù)據(jù)采集開始命令后，PXI協(xié)議發(fā)出同步觸發(fā)信號，各信號采集與處理模塊接收到觸發(fā)信號后，主份和備份檢測通道同時開始進行采樣和數(shù)據(jù)處理，將脈沖信號到達(dá)的時刻，脈沖寬度，保存至FPGA的內(nèi)存中，由零槽實時讀取。數(shù)據(jù)備份模塊同時也受該觸發(fā)信號控制，開啟實時接收6塊信號采集模塊FPGA從芯片處理的信號，并按照邏輯協(xié)議把數(shù)據(jù)按照RS-232協(xié)議進行數(shù)據(jù)打包。之后數(shù)據(jù)備份模塊不再受零槽控制器控制，當(dāng)零槽控制器由于某種原因不能正常工作時，可外接的筆記本等瀏覽終端，通過RS-232總線與數(shù)據(jù)備份模塊進行數(shù)據(jù)交互，讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)備份模塊屬于掉電不保存，只要PXI機箱不被斷電，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)一直記錄在緩存中，RS-232串口隨時可以插拔均不會影響數(shù)據(jù)的讀取。

圖3 數(shù)據(jù)備份模塊原理框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計是實現(xiàn)火工品等效器所有測試和控制功能的重要保證，同時也是提高自動測試性能的載體，結(jié)合火工品等效器系統(tǒng)的功能要求，選擇Labview設(shè)計軟件系統(tǒng)[3]。火工品等效器軟件包含主份監(jiān)控軟件和備份瀏覽終端軟件兩部分。依據(jù)程序模塊化的設(shè)計思想，兼顧程序的可靠性、可移植性以及執(zhí)行效率，將主份監(jiān)控軟件和備份瀏覽終端軟件的公用子程序模塊進行提取合并，從而整個系統(tǒng)共有12個程序模塊組成，其體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

年年夏天，當(dāng)我在城里享受空調(diào)的清涼時，婆婆卻在鄉(xiāng)下，頂著烈日放羊割草。然后，在我們回老家過年的時候，用一桌鮮美的羊肉招待我們。

圖4 火工品等效器軟件結(jié)構(gòu)圖

PXI總線數(shù)據(jù)解析模塊、PXI總線數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊為公用子程序模塊。PXI總線數(shù)據(jù)解析模塊和PXI總線數(shù)據(jù)存儲模塊主要實現(xiàn)對各個數(shù)據(jù)采集與處理模塊和數(shù)據(jù)備份模塊的PXI總線數(shù)據(jù)進行解析和存儲。采集通道配置模塊可以調(diào)用外部EXCEL配置表，實現(xiàn)信號通道的名稱靈活配置。同時可對初始化配置進行自檢測，以保證各個模塊能正常工作。當(dāng)自檢測發(fā)現(xiàn)故障時，在屏幕上給出初始化失敗提示，需重啟程序。數(shù)據(jù)顯示模塊可將存儲的數(shù)據(jù)信息以表格的形式顯示在顯示器上，軟件顯示界面如圖5所示。備份瀏覽終端采用生產(chǎn)者消費者主從循環(huán)結(jié)構(gòu)，調(diào)用這4個公用子程序模塊，結(jié)合USB數(shù)據(jù)解析模塊就可以實現(xiàn)在備份瀏覽終端上實時讀取數(shù)據(jù)備份模塊數(shù)據(jù)。

主份監(jiān)控軟件采用多線程編程和子面板技術(shù)，除了調(diào)用上述4個公用子程序模塊外，還需調(diào)用7個其他子程序模塊。各功能板采集模塊和各功能版參數(shù)配置模塊，主要用于數(shù)據(jù)備份模塊和各個信號采集與處理模塊的硬件配置和識別。調(diào)試登錄模塊主要用于程序管理員調(diào)試，以及對主份監(jiān)控軟件作為遠(yuǎn)程終端時的IP地址進行設(shè)置，以便于與局域網(wǎng)設(shè)備進行通信。網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)打包模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，主要實現(xiàn)將本地測試數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)通訊命令接收模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊命令解析模塊主要實現(xiàn)接收并解析遠(yuǎn)程控制指令，實現(xiàn)程序復(fù)位、系統(tǒng)校時和開始采集等操作。

圖5 火工品等效器軟件界面

4 關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)試驗

本文設(shè)計了基于PXI 技術(shù)的航天器火工品等效器方案，實現(xiàn)了基于PXI 技術(shù)的硬件平臺，利用Labview在Windows 系統(tǒng)下編制了系統(tǒng)軟件?；赪indows 操作系統(tǒng)，采用多線程機制，設(shè)計了實時采集、處理、顯示和遠(yuǎn)程通信等軟件，實現(xiàn)了PXI 平臺下航天器火工品等效器系統(tǒng)的完整功能。對于設(shè)計和實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵問題，下文給出了解決方案，并通過系統(tǒng)聯(lián)合試驗，獲取了大量的試驗數(shù)據(jù)，滿足航天器研制測試過程中的各項功能和性能要求。

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1 信號調(diào)理與多通道同步采集

由于正常火工品起爆信號的脈寬一般需要大于10 ms，為保證既能準(zhǔn)確檢測正常起爆控制信號脈寬，還能消除不需要的干擾信號，因此采用了硬件濾波和軟件處理的信號處理方法。硬件濾波是在每個采集通道均加入隔離二極管和多級RC濾波電路等，達(dá)到消除毛刺的目的。軟件處理是在FPGA程序中設(shè)置脈沖采樣時鐘，通過添加延時的方法實現(xiàn)“數(shù)字濾波”，達(dá)到濾除毛刺的目的。對于多路火工品起爆信號的同步采集，采用邊沿觸發(fā)記錄代替定時高頻采集，同時利用FPGA的并行處理功能，同步記錄各通道脈沖到達(dá)時刻，從而降低了存儲的數(shù)據(jù)量。

4.1.2 功能板卡緩存設(shè)計

為了優(yōu)化高速數(shù)據(jù)采集和顯示延遲問題，以及避免冗余架構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失，采用同步記錄和存儲的方法。各個信號采集與處理模塊均設(shè)置緩存空間，并使之滿足采集數(shù)據(jù)寫滿緩存的時間不大于緩存數(shù)據(jù)(DMA)傳輸時間與后續(xù)數(shù)據(jù)處理時間之和。通過此方法避免內(nèi)存中前一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)尚未處理完畢，下一次的采集的數(shù)據(jù)已經(jīng)傳送到，造成實時采集數(shù)據(jù)的丟失。

4.1.3 可靠性設(shè)計

航天器任務(wù)的測試環(huán)境要求系統(tǒng)具有較高的可靠性，在設(shè)計過程中火工品等效器系統(tǒng)采用了基于PXI 技術(shù)的硬件平臺。PXI 技術(shù)結(jié)合了PCI 總線電氣特性與Compact PCI 的堅固性、模塊化和Eurocard 機械封裝的特性，使之適應(yīng)復(fù)雜測試環(huán)境的高可靠應(yīng)用。

同時，該火工品等效器還采用主、備熱冗余的架構(gòu)設(shè)計。即，同一被檢測火工品起爆信號進入火工品等效器后，一路進入主份FPGA芯片，經(jīng)零槽控制器讀取并顯示；另一路進入備份FPGA芯片，并經(jīng)數(shù)據(jù)備份模塊通過RS-232總線傳送到備份數(shù)據(jù)瀏覽終端顯示，從而保證系統(tǒng)的高可靠性工作。

4.1.4 多線程技術(shù)

為了實現(xiàn)瞬時多通道連續(xù)多次火工品起爆信號的采集、處理和實時顯示，主份監(jiān)控軟件采用Labview在Windows操作系統(tǒng)上，使用“生產(chǎn)者/消費者”主從循環(huán)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)多線程編程[4]。生產(chǎn)者為采集數(shù)據(jù)程序，消費者為處理數(shù)據(jù)程序，在生產(chǎn)者與消費者之間設(shè)置一個大小固定的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，當(dāng)生產(chǎn)過剩時，緩存區(qū)空間將被寫滿，此時必須停止生產(chǎn)，直到緩存區(qū)出現(xiàn)空余空間。以此類推，當(dāng)消費者的能力大于生產(chǎn)者的能力時，緩存區(qū)的數(shù)據(jù)逐漸減少，直到耗盡，此時，消費者需處于等待狀態(tài)[5-6]。本系統(tǒng)設(shè)置火工品信號采集線程作為生產(chǎn)者，而信號存儲和顯示線程作為消費者，解決了數(shù)據(jù)存儲和顯示的時間延遲導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)丟失的問題。

4.2 系統(tǒng)實驗

為了試驗該火工品等效器的功能和性能，在上面級整器綜合測試過程中，進行了火工品控制專項測試和模飛流程行測試等試驗。

火工品控制專項測試主要測試火工品起爆通道對應(yīng)控制情況和各路信號脈寬。通過器上控制器向火工品等效器的96個信號檢測通道依次發(fā)送80 ms脈寬信號，采用高精度示波器分別對各通道信號進行采集測試，并將所獲得的脈寬數(shù)據(jù)作為相對真值。然后將火工品等效器測試獲得的脈寬數(shù)據(jù)與相對真值進行比對。試驗數(shù)據(jù)表明，96個通道均一一對應(yīng)，各個通道脈寬精度誤差均不大于1 ms，滿足火工品等效器精度要求。

模飛流程行測試是控制器根據(jù)飛行器的飛行時序依次發(fā)出各次起爆控制信號，每次起爆信號為80 ms脈寬指令，間隔100 ms連續(xù)發(fā)3次，可同時起爆8個通道。表1給出了12次火工品起爆控制的測試結(jié)果，表明各個通道均首道3次脈寬指令，且指令脈寬都滿足80±10 ms的精度要求。

5 結(jié)束語

本文基于PXI 工控機硬件架構(gòu)，采用自研的數(shù)據(jù)采集與處理模塊、數(shù)據(jù)備份模塊等功能板卡，構(gòu)建了高可靠的火工品等效器系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了96路火工品起爆信號的主備冗余采集和存儲?；赪indows 操作系統(tǒng)，采用多線程機制，設(shè)計了實時數(shù)據(jù)顯示軟件，實現(xiàn)了PXI平臺下火工品起爆信號采集系統(tǒng)的完整功能。該火工品等效器采用PXI 技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)硬件平臺，精簡了整個系統(tǒng)，減小了系統(tǒng)的體積和重量，設(shè)備具有配置靈活、擴展方便、可靠性高等特點，已成功應(yīng)用于YZ-3上面級型號研制測試，并取得了較好的效果。

表1 模飛流程時火工品起爆控測試數(shù)據(jù)

[1] 顧炳永,李玉潔.飛航導(dǎo)彈彈上火工品測試方案及實現(xiàn)方法研究[J].飛航導(dǎo)彈,2005(7);49-51.

[2] 劉曉燕,彭勤素.箭上火工品自動測試方案及實現(xiàn)方法[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2009,29(5);232-234.

[3] 黃豪彩,楊燦軍，陳道華，等.基于LabVIEW的深海氣密采水器測控系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報，2011,32(1); 40-44.

[4] 孫 寧,劉潔瑜,錢培賢.多線程技術(shù)在加速度計數(shù)據(jù)采集中的實現(xiàn)[J] . 國外電子測量技術(shù), 2006, 25 (5) :37-42.

[5] 雷晏瑤,李 智．基于生產(chǎn)者/消費者的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]．機械，2011，38(9):39-43.

[6] 張秀娟．生產(chǎn)者-消費者采集建模與行為分析方法研究[J]．微電子學(xué)與計算機，2004，21(5)：97-100．

DesignandRealizationofaHighReliabilityEquivalentEquipmentforInitiatingExplosiveofSpacecrafts

Xia Xiaodong1，Kang Ling1， Chen Wei2， Chen Yufeng2， Shen Zongyue1， Wu Jianju1

(1.Shanghai Aerospace System Engineering Institute, Shanghai 201109,China；2.Shanghai Aerospace Control technology Institute , Shanghai 201109,China)

At present, the spacecraft's electric initiating explosive devices are detonated by the pulse-width signal, and generally multiple points are detonated at the same time. As a result, the number of channels is high and the width of the transient signals is very narrow. To solve the problem of accurately detecting the times and width of the sequence instructions for each of the electro-explosive channels, an equivalent equipment is designed and realized. It consists of industry control computer based on PXI bus architecture, general interface boards, appropriative boards and the backup data browsing terminal, which has the advantages of high reliability, general compatibility, and good maintainability. It has been applied in the YZ-3 upper stage task, which strongly supports automation of aerospace vehicle testing and launching in the state of the whole spacecraft.

spacecraft; equivalent equipment for initiating explosive; advocate for dual redundancy; PXI bus

2017-04-19；

2017-05-15。

夏小東(1985-)，男，四川達(dá)州人，碩士研究生，工程師，主要從事空間飛行器電氣系統(tǒng)設(shè)計方向的研究。

1671-4598(2017)11-0159-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.040

TP302

A