高可靠性小型固體動力運(yùn)載火箭時(shí)序控制器設(shè)計(jì)

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(中國航天科技集團(tuán)有限公司 第四研究院第四十一研究所固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710025)

0 引言

小型固體動力運(yùn)載火箭，主要用于將特定的有效載荷投送到大氣層一定高度的空間并釋放，完成一系列的科學(xué)試驗(yàn)或者空間探測，其具有體積小，成本低，發(fā)射靈活，便于運(yùn)輸，維護(hù)使用方便，任務(wù)周期快等諸多優(yōu)點(diǎn)，是臨近空間(20～100 km)試驗(yàn)[1]的首選運(yùn)載平臺。時(shí)序控制器[2-3]作為火箭上的控制單元，在火箭發(fā)射前需要完成點(diǎn)火回路供配電控制、時(shí)序測試以及火工品阻值測試等工作，在火箭發(fā)射后發(fā)出時(shí)序控制信號控制火箭上各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)時(shí)序的動作。因此，時(shí)序控制器的可靠性設(shè)計(jì)具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

結(jié)合臨近空間科學(xué)探測試驗(yàn)的特點(diǎn)，火箭搭載的有效載荷往往具有極高的科學(xué)價(jià)值，在設(shè)計(jì)時(shí)序控制器時(shí)，綜合考慮體積、成本、重量、測試性、使用環(huán)境、功耗等條件，著重從結(jié)構(gòu)防護(hù)、硬件和軟件三方面，介紹該時(shí)序控制器的可靠性設(shè)計(jì)。

1 時(shí)序控制器組成及原理

時(shí)序控制器組成如圖1所示，時(shí)序控制器上電后，與地面發(fā)控系統(tǒng)之間通過RS422接口通訊，時(shí)序控制器實(shí)時(shí)響應(yīng)發(fā)控系統(tǒng)的各種指令，完成電壓查詢、時(shí)序裝定、系統(tǒng)轉(zhuǎn)電、發(fā)射準(zhǔn)備好、解除火工品短路保護(hù)等功能，并反饋執(zhí)行該功能后的狀態(tài)信號。FPGA控制AD實(shí)時(shí)采樣系統(tǒng)電壓，收到電壓查詢指令后，將當(dāng)前電壓的采樣值反饋給地面發(fā)控系統(tǒng)；收到時(shí)序裝定指令后，將對應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)字信息寫入到非易失性存儲器EEPROM，并反饋存儲器當(dāng)前存儲的時(shí)序；收到系統(tǒng)轉(zhuǎn)電指令，時(shí)序控制器將完成地面供電與箭上電池供電的并網(wǎng)，并網(wǎng)成功后，通知地面發(fā)控設(shè)備切斷地面供電；在發(fā)射未準(zhǔn)備好及解除火工品短路保護(hù)狀態(tài)下可以進(jìn)行火工品阻值測試；在發(fā)射準(zhǔn)備好及火工品短路保護(hù)狀態(tài)，可以進(jìn)行時(shí)序測試，由地面發(fā)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量當(dāng)前裝定時(shí)序的正確性及時(shí)間精度；在發(fā)射準(zhǔn)備好及解除火工品短路保護(hù)狀態(tài)下可以進(jìn)行飛行試驗(yàn)，此時(shí)，F(xiàn)PGA將以脫落插頭的計(jì)時(shí)零點(diǎn)信號為觸發(fā)信號，按照裝定的時(shí)序，輸出脈沖控制信號，點(diǎn)爆相應(yīng)火工品，完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。

圖1 時(shí)序控制器組成圖

2 結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)

時(shí)序控制器工作在距離地表20～100 km的空間，工作時(shí)間1～6 min，臨近空間環(huán)境如表1所示：

表1 臨近空間環(huán)境

從表1可以看出，在火箭飛行過程中，時(shí)序控制器需要經(jīng)受低溫及低氣壓的影響，因此，在選取元器件時(shí)，至少應(yīng)選取普軍級以上，所有元器件應(yīng)通過篩選。PCB版焊接測試完成后，表面應(yīng)進(jìn)行“三防”處理。將PCB板固定到時(shí)序控制器結(jié)構(gòu)件后，在結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的空腔灌封上硅橡膠等填充物，一方面起到隔溫減震的作用，另一方面，起到密封的作用，防止元器件在低壓下發(fā)生爆裂。

3 硬件設(shè)計(jì)

時(shí)序控制器設(shè)計(jì)具有如下功能：

1)供配電功能。設(shè)計(jì)有地面供電和箭上電池供電的切換電路，根據(jù)測試和使用環(huán)境選擇電源，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測當(dāng)前電源母線電壓；設(shè)計(jì)有緊急斷電功能，異常情況下能夠迅速切斷箭上電池的供電電源。

2)時(shí)序裝訂和輸出功能。時(shí)序控制器能夠根據(jù)彈道仿真計(jì)算的結(jié)果，裝訂合適的時(shí)序參數(shù)，并能夠輸出具有一定能量的點(diǎn)火脈沖信號，完成火工品起爆。

3)火工品阻值測試功能。在測量火工品阻值時(shí)，電路能夠確?；鸸て返慕^對安全，不會誤動作，不會誤觸發(fā)。

時(shí)序控制器硬件電路原理如圖2所示，主要包括FPGA控制器模塊，A/D采集模塊，調(diào)理電路模塊，驅(qū)動電路模塊，繼電器陣列等。

圖2 時(shí)序控制器硬件電路原理圖

3.1 FPGA控制器電路

在控制器選型上，考慮到臨近空間大氣中存在阿爾法射線、重離子等高能量粒子，這些高能量粒子轟擊在基于SRAM架構(gòu)的FPGA上會產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致程序失效。因此控制芯片選用Microsemi公司基于FLASH架構(gòu)的A3P250系列FPGA，其內(nèi)部CMOS的P端增加了一個(gè)“懸浮門”，改變“懸浮門”的狀態(tài)需要的電荷量非常大，高能量粒子的作用不會產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。而且采用FPGA內(nèi)部的FLASH程序存儲器還能節(jié)省空間和成本，減少了FPGA外部的配置芯片。

FPGA控制器主要用于實(shí)現(xiàn)AD采樣控制、響應(yīng)發(fā)控指令、計(jì)時(shí)零點(diǎn)采集、時(shí)序計(jì)數(shù)、非易失性存儲器控制、驅(qū)動電路控制、邏輯仲裁等功能。

3.2 驅(qū)動電路

FPGA輸出的時(shí)序信號為3.3 V電平信號，為了驅(qū)動繼電器陣列，需要通過N溝道場效應(yīng)管IRL6372構(gòu)成的驅(qū)動電路，將3.3 V電平信號轉(zhuǎn)換為+12 V的大功率電壓信號，從而驅(qū)動繼電器動作，將供電母線的電壓輸出至火工品。驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 驅(qū)動電路原理圖

3.3 繼電器陣列

繼電器陣列用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)電、緊急斷電、火工品起爆和火工品短路保護(hù)等功能。其電路如圖4所示。其中，繼電器K1用于實(shí)現(xiàn)地面供電電源與箭上電池供電切換功能，繼電器K2用于短路火工品，繼電器K3/K4用于起爆相應(yīng)時(shí)序信號對應(yīng)的火工品。繼電器陣列在PCB中固定時(shí)，應(yīng)充分考慮火箭發(fā)射時(shí)的過載，繼電器觸點(diǎn)的運(yùn)動方向應(yīng)與火箭發(fā)射過載方向互相垂直。

圖4 繼電器陣列電路原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

時(shí)序控制器軟件流程如圖5所示。

圖5 時(shí)序控制器軟件流程

FPGA代碼使用Verilog硬件描述語言編寫，采用自頂向下，模塊化設(shè)計(jì)思路。指令狀態(tài)判斷部分采用狀態(tài)機(jī)完成跳轉(zhuǎn)。時(shí)序控制器上電后自動加載EEPROM中的時(shí)序參數(shù)，加載完成后反饋時(shí)控器的自檢信息，自檢信息包括設(shè)備型號、編號、批次、時(shí)控器的狀態(tài)信息及當(dāng)前加載的時(shí)序信息。自檢之后進(jìn)入等待狀態(tài)，檢測RS422串口的指令信息。地面發(fā)控指令包括轉(zhuǎn)電、電池電壓檢測、時(shí)序參數(shù)裝定、時(shí)序測試及發(fā)射準(zhǔn)備。指令的接收采用應(yīng)答機(jī)制，時(shí)序控制器在收到相應(yīng)的指令，完成控制動作后再應(yīng)答狀態(tài)。當(dāng)收到參數(shù)裝定指令，時(shí)序控制器將會更新EEPROM存儲器內(nèi)的時(shí)序參數(shù)，更新完畢后，重新加載時(shí)序參數(shù)到FPGA的RAM中并反饋時(shí)控器的自檢信息。一旦接收到發(fā)射準(zhǔn)備和時(shí)序測試指令，將進(jìn)入啟動信號判斷環(huán)節(jié)，此時(shí)若收到啟動信號將啟動格雷碼計(jì)數(shù)器，由FPGA進(jìn)行仲裁，當(dāng)計(jì)數(shù)值與當(dāng)前加載的時(shí)序參數(shù)相等時(shí)，輸出時(shí)序控制信號至點(diǎn)火電路，直到所有的時(shí)序控制信號輸出完畢。

5 可靠性設(shè)計(jì)措施

5.1 供配電控制

時(shí)序控制器設(shè)計(jì)有供電、轉(zhuǎn)電、緊急斷電[4]等電源控制電路。只要時(shí)控器上電，即可通過電源查詢指令查詢當(dāng)前電源母線的電壓值。待箭上電池激活且輸出電壓穩(wěn)定后，時(shí)序控制器響應(yīng)發(fā)控的RS422指令完成轉(zhuǎn)電，隨后由發(fā)控切斷地面供電電源。當(dāng)轉(zhuǎn)電完成后，再次查詢并反饋電壓狀態(tài)。

如發(fā)射前遇緊急情況需要終止任務(wù)，可通過地面發(fā)控設(shè)備的“緊急斷電”按鈕人為切斷時(shí)控器供電電源。轉(zhuǎn)電和緊急斷電均選用雙路觸點(diǎn)的磁保持繼電器[5]。

5.2 時(shí)序測試與火工品測試保護(hù)

火工品“保護(hù)”電路主要由磁保持繼電器J2的兩組“常開”和“常閉”觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)?！俺ｉ]”觸點(diǎn)提供火工品短路保護(hù)，“常開”觸點(diǎn)用于斷開火工品點(diǎn)火回路?；鸸て贰氨Ｗo(hù)”電路由地面發(fā)控指令控制，經(jīng)N溝道場效應(yīng)管驅(qū)動后作用到磁保持繼電器J2?；鸸て贰包c(diǎn)火”電路主要由電磁繼電器J3的兩組“常開”觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA發(fā)出的時(shí)序控制信號經(jīng)N溝道場效應(yīng)管驅(qū)動后作用到磁保持繼電器J3，觸點(diǎn)K3閉合，接通火工品點(diǎn)火回路，引爆火工品。采用上述“保護(hù)電路”滿足火箭發(fā)射前的火工品阻值測試及時(shí)序測試[6]要求，且在測試過程中確保了火工品的絕對安全。

5.3 軟件流程邏輯保護(hù)

時(shí)序控制器軟件設(shè)計(jì)采用事件觸發(fā)機(jī)制，即硬件上每完成一次動作，均有相應(yīng)的狀態(tài)反饋信號，F(xiàn)PGA控制流程時(shí)檢測相應(yīng)的狀態(tài)反饋信號，確定該動作已執(zhí)行后才進(jìn)行下一步動作。軟件流程的執(zhí)行過程中加入仲裁判斷，比如，在地面供電狀態(tài)或保險(xiǎn)未解除狀態(tài)下，就無法進(jìn)入發(fā)射準(zhǔn)備狀態(tài)；在保險(xiǎn)解除的情況下就無法進(jìn)行時(shí)序測試。需要進(jìn)行火工品阻值測試時(shí)，只需要進(jìn)入發(fā)射準(zhǔn)備狀態(tài)。緊急狀態(tài)切斷時(shí)控器供電電源，待時(shí)控器重新上電的初始化過程將火工品重新短路保護(hù)。

5.4 采用格雷碼計(jì)數(shù)器

定時(shí)器不可避免的要用到計(jì)數(shù)環(huán)節(jié)，時(shí)序參數(shù)采用4個(gè)字節(jié)的無符號整形數(shù)表示，每個(gè)位表示0.01 ms。FPGA定時(shí)器設(shè)計(jì)時(shí)使用了編碼技術(shù)，使用格雷碼(Graycode)作為計(jì)數(shù)器輸出值。格雷碼的所有相鄰整數(shù)在它們的二進(jìn)制數(shù)值表示中只有一個(gè)數(shù)字位不同，即它在任意兩個(gè)相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，只有一個(gè)數(shù)位發(fā)生變化。它大大地減少了由一個(gè)狀態(tài)到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)邏輯的混淆。采用格雷編碼可以避免在時(shí)鐘邊沿的比較環(huán)節(jié)中進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)[7]，極大地減小時(shí)序誤發(fā)的可能性。

使用Multism仿真軟件對定時(shí)器部分仿真的時(shí)序如圖6所示。由圖6可以看出計(jì)數(shù)器每次加一后立刻轉(zhuǎn)換為格雷碼，每個(gè)時(shí)鐘的上升沿到來都會將其與裝定的時(shí)序(0x86格雷碼)進(jìn)行比較判斷，一旦判定兩個(gè)時(shí)序數(shù)據(jù)相等，立即輸出時(shí)序控制信號comp_out。

圖6 定時(shí)器部分程序的Multism仿真時(shí)序

5.5 裝定參數(shù)CRC校驗(yàn)設(shè)計(jì)

時(shí)序參數(shù)在裝定前按照CRC-CCITT標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校驗(yàn)，裝定時(shí)連同CRC校驗(yàn)碼一起裝定到EPROM，F(xiàn)PGA讀取時(shí)序參數(shù)后，對時(shí)序參數(shù)再次進(jìn)行CRC校驗(yàn)，F(xiàn)PGA將該校驗(yàn)碼與裝定的校驗(yàn)碼比較，判定相等后時(shí)序信號才能與定時(shí)器輸出的時(shí)序編碼進(jìn)行比較。通過校驗(yàn)設(shè)計(jì)，確保了時(shí)序的裝定值與讀取值保持完全一致。

5.6 采用灌封工藝

目前，電子元器件灌封主要采用以下三種材料：聚氨酯、硅橡膠和環(huán)氧樹脂，三種材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合時(shí)序控制器的使用環(huán)境條件，設(shè)計(jì)采用硅橡膠作為灌封材料。硅橡膠具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)抗老化腐蝕、耐高低溫、抗沖擊能力強(qiáng)。選取合適硬度和彈性的硅橡膠材料，填充到PCB，可以顯著增強(qiáng)元器件的抗沖擊性能。

2)密封、絕緣和電氣性能優(yōu)異，灌封后能夠有效提高內(nèi)部元器件與線路之間的絕緣特性，使元器件處于相對密封的環(huán)境中，提高元器件低氣壓條件下的耐受性。

3)固化時(shí)收縮力小，不吸熱、不放熱，有效減小了固化過程中元器件承受的應(yīng)力，不會影響元器件的強(qiáng)度。

4)易清除，便于返修和維護(hù)。

6 測試結(jié)果與分析

6.1 可靠性測試

時(shí)序控制器屬于火箭上的關(guān)鍵部件，時(shí)序控制信號關(guān)系到飛行試驗(yàn)的成敗，務(wù)必確保萬無一失，因此，產(chǎn)品出廠前均需要完成可靠性試驗(yàn)。在可靠性試驗(yàn)中，使用專用的自動化地面測試設(shè)備，模擬火箭發(fā)射的流程，反復(fù)給時(shí)序控制器上電并輸出時(shí)序控制信號。通過采集記錄設(shè)備存儲數(shù)據(jù)，并對每次的測試結(jié)果進(jìn)行自動判別。經(jīng)過對產(chǎn)品的上百次測試，結(jié)果表明：時(shí)序控制器功能可靠，每次測試都能夠在裝定的時(shí)序節(jié)點(diǎn)輸出控制信號。

6.2 時(shí)序精度測試與分析

時(shí)序控制器工作在火箭飛行的全段，從火箭開始點(diǎn)火飛行到達(dá)100 km的高度并落地，所用的時(shí)間大約在360 s左右。要求時(shí)序控制器在400 s的范圍內(nèi)時(shí)序可裝定，且輸出時(shí)序節(jié)點(diǎn)的精度能夠滿足±20 ms的要求。本設(shè)計(jì)選用高精度的溫補(bǔ)晶振，輸出振蕩頻率為20 MHz，在-40～+85℃的溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度為0.05 ppm@20 MHz，經(jīng)過FPGA內(nèi)部PLL分頻后輸出100 kHz的時(shí)鐘用于定時(shí)，定時(shí)精度為0.01 ms。在工作溫度分別為-45℃，+25℃和+80℃，裝定時(shí)序分別為8.3 s、44.67 s、138.24 s、360 s的條件下，使用NI的PXI-6255高速M(fèi)系列多功能數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行采集測試，時(shí)序精度測試結(jié)果如表2所示。

表2 時(shí)序精度測試結(jié)果

從表2測試數(shù)據(jù)可以看出：采用溫補(bǔ)晶振后，時(shí)序節(jié)點(diǎn)精度有一定的時(shí)間漂移，隨著時(shí)間增加，誤差逐漸增大，最高可達(dá)14 ms，但該誤差能夠滿足使用要求，不需要采用補(bǔ)償算法來修正。

7 結(jié)束語

采用基于FLASH架構(gòu)的FPGA作為控制器，設(shè)計(jì)了一款具有高可靠性的小型固體動力運(yùn)載火箭時(shí)序控制器，該時(shí)序控制器集供配電功能、時(shí)序測試功能、火工品短路保護(hù)功能于一體，具有工作穩(wěn)定、簡單可靠、功耗低、體積小的優(yōu)點(diǎn)，極大地節(jié)省了火箭的安裝空間，并降低了消極質(zhì)量。在完成原理樣機(jī)設(shè)計(jì)后，經(jīng)過了上百次測試最終形成產(chǎn)品，并運(yùn)用到某型號空間探測運(yùn)載火箭中，經(jīng)過十余發(fā)飛行試驗(yàn)的考核，均圓滿完成任務(wù)。最終結(jié)果表明，時(shí)序控制器設(shè)計(jì)合理，性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，具有一定的通用性。