一種航天器點(diǎn)火控制模塊的設(shè)計(jì)

劉成明

（貴州航天電器股份有限公司，貴州 貴陽 550009）

0 引言

目前在航天器火工品點(diǎn)火控制中，一般都需要有箭地電源轉(zhuǎn)換功能（即轉(zhuǎn)電功能）[1]，同時(shí)又需要點(diǎn)火時(shí)序可編程（如以通信方式裝訂時(shí)序）[2]，傳統(tǒng)的時(shí)序控制模塊基本是使用一個(gè)微控制器實(shí)現(xiàn)[3]。然而由于微控制器都具有特定的失效模式，比如單片機(jī)、DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）存在程序跑飛、受干擾可能發(fā)生復(fù)位的風(fēng)險(xiǎn)，這些風(fēng)險(xiǎn)在地面可控，但是一旦微控制器在航天器飛行過程中發(fā)生復(fù)位，將無法繼續(xù)執(zhí)行復(fù)位之前的點(diǎn)火控制流程，并且微控制器復(fù)位將直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)電控制復(fù)位即控制器斷電，造成無法控制點(diǎn)火的嚴(yán)重影響。為克服上述缺陷，設(shè)計(jì)了一種采用兩種類型微控制器的點(diǎn)火控制模塊，同時(shí)通過軟件設(shè)計(jì)，保證單片機(jī)異常復(fù)位時(shí)也不會(huì)復(fù)位當(dāng)前的轉(zhuǎn)電狀態(tài)。

1 系統(tǒng)方案

為增加點(diǎn)火可靠性，使用兩種不同類型的微控制器進(jìn)行主、備份點(diǎn)火控制，主備點(diǎn)火信號(hào)經(jīng)過或門后輸出。由于單片機(jī)（或DSP）能夠集成非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和串行通信模塊等眾多外設(shè)[4-5]，因此采用一片單片機(jī)作為主處理芯片，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的地面指令通信、轉(zhuǎn)電控制、時(shí)序裝訂、主點(diǎn)火控制等功能。采用一片CPLD（或FPGA）作為備處理芯片，只用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的時(shí)序讀取和備點(diǎn)火控制功能。單片機(jī)和CPLD均能實(shí)現(xiàn)0 ～2N（N 為單片機(jī)和CPLD 內(nèi)部計(jì)數(shù)器的位數(shù)）秒可編程、毫秒級(jí)精度的計(jì)時(shí)[6]。

系統(tǒng)的工作流程如下：（1）地面上電，單片機(jī)自動(dòng)控制轉(zhuǎn)電繼電器復(fù)位，系統(tǒng)由地面電源供電；（2）單片機(jī)通過串行通信接收外部指令進(jìn)行時(shí)序裝訂，將時(shí)序值存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)掉電時(shí)序不丟失；（3）單片機(jī)通過串行通信接收外部指令進(jìn)行轉(zhuǎn)電，控制轉(zhuǎn)電繼電器轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的供電由地面電源切換到航天器內(nèi)部電池；（4）發(fā)射前單片機(jī)對(duì)CPLD 使能發(fā)射允許信號(hào)，CPLD 只在發(fā)射允許信號(hào)有效時(shí)通過I/O 口讀取單片機(jī)提供的時(shí)序值，之后CPLD 不再讀取時(shí)序值，直到輸出點(diǎn)火信號(hào)；（5）在收到發(fā)射允許指令且電氣分離信號(hào)有效后，單片機(jī)和CPLD 同時(shí)開始計(jì)時(shí)，不再接收通信指令和電氣分離信號(hào)，直到輸出點(diǎn)火信號(hào)。

2 電路設(shè)計(jì)

點(diǎn)火控制模塊主要由單片機(jī)電路、CPLD 電路和或門、達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)芯片組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

2.1 單片機(jī)電路

點(diǎn)火控制模塊的控制核心是單片機(jī)。本次設(shè)計(jì)選用的ATmega128 是ATMEL 公司的8 位低功耗CMOS 微處理器，其外設(shè)包括2 個(gè)16 位的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，2個(gè)可編程的串行USART，4K 字節(jié)的EEPROM 非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等。設(shè)計(jì)中使用單片機(jī)的UART 進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的收發(fā)，EEPROM 用于存儲(chǔ)點(diǎn)火時(shí)序，定時(shí)器控制點(diǎn)火時(shí)序的輸出。單片機(jī)內(nèi)嵌的外設(shè)部件及其特點(diǎn)足以滿足點(diǎn)火控制模塊的功能需求，減少了電路的分立元件，增加了系統(tǒng)的可靠性。單片機(jī)電路的功能框圖如圖2 所示。

單片機(jī)的軟件功能模塊包括：（1）轉(zhuǎn)電復(fù)位控制模塊，用于識(shí)別單片機(jī)復(fù)位原因并進(jìn)行航天器供電的轉(zhuǎn)電復(fù)位控制；（2）轉(zhuǎn)電控制模塊，用于根據(jù)通信輸入指令進(jìn)行航天器供電的轉(zhuǎn)電控制；（3）時(shí)序裝訂模塊，用于根據(jù)通信輸入指令進(jìn)行航天器點(diǎn)火時(shí)序存儲(chǔ)；（4）發(fā)射允許控制模塊，用于根據(jù)通信輸入指令進(jìn)行航天器發(fā)射前準(zhǔn)備工作（解鎖電氣分離信號(hào)檢測(cè)、向CPLD 轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)射允許信號(hào)和點(diǎn)火時(shí)序值）；（5）主點(diǎn)火信號(hào)輸出模塊，用于根據(jù)航天器發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的電氣分離信號(hào)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)時(shí)序裝訂時(shí)間輸出主點(diǎn)火信號(hào)。

單片機(jī)程序中啟用了看門狗功能，并設(shè)計(jì)了復(fù)位原因識(shí)別功能：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位后首先檢查自身的復(fù)位狀態(tài)寄存器，若存在復(fù)位標(biāo)識(shí)（如看門狗復(fù)位、外部引腳電平復(fù)位、掉電檢測(cè)復(fù)位等）則不進(jìn)行轉(zhuǎn)電復(fù)位，否則在每次正常上電后執(zhí)行轉(zhuǎn)電復(fù)位控制模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)電復(fù)位；之后單片機(jī)通過串行通信接收外部指令，收到轉(zhuǎn)電指令后執(zhí)行轉(zhuǎn)電控制模塊輸出轉(zhuǎn)電信號(hào)給達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)芯片，收到時(shí)序裝訂指令后執(zhí)行時(shí)序裝訂模塊保存收到的時(shí)序值到自身的非易失存儲(chǔ)器，收到發(fā)射允許指令后執(zhí)行發(fā)射允許控制模塊將發(fā)射允許信號(hào)和點(diǎn)火時(shí)序值發(fā)送給CPLD 同時(shí)啟動(dòng)主點(diǎn)火信號(hào)輸出模塊，當(dāng)主點(diǎn)火信號(hào)輸出模塊接收到有效的電氣分離信號(hào)后開始計(jì)時(shí)并停止接收電氣分離信號(hào)和串行通信，到達(dá)時(shí)序裝訂時(shí)間輸出主點(diǎn)火信號(hào)給或門芯片，重新啟動(dòng)接收電氣分離信號(hào)和串行通信。

2.2 CPLD 電路

CPLD 是點(diǎn)火控制模塊的備份點(diǎn)火控制器。本次設(shè)計(jì)選用的XC95144XL 是XILINX 公司的高性能的CPLD，具有144 個(gè)宏單元、3200 可用門，多達(dá)133個(gè)用戶I/O 引腳，系統(tǒng)頻率高達(dá)178MHz[7]。設(shè)計(jì)中使用CPLD 的I/O 讀取點(diǎn)火時(shí)序值，計(jì)數(shù)器控制點(diǎn)火時(shí)序的輸出。CPLD 僅用于點(diǎn)火時(shí)序的定時(shí)輸出，功能簡(jiǎn)單，可靠性高。CPLD 電路的功能框圖如圖3 所示。

CPLD 的軟件功能模塊包括：（1）時(shí)序讀取模塊，用于根據(jù)輸入的發(fā)射允許信號(hào)開始讀取點(diǎn)火時(shí)序值；（2）備點(diǎn)火信號(hào)輸出模塊，用于根據(jù)航天器發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的電氣分離信號(hào)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)點(diǎn)火時(shí)序時(shí)間輸出備點(diǎn)火信號(hào)。

當(dāng)CPLD 收到有效的發(fā)射允許信號(hào)后，執(zhí)行時(shí)序讀取模塊只讀一次取點(diǎn)火時(shí)序值同時(shí)啟動(dòng)備點(diǎn)火信號(hào)輸出模塊，當(dāng)備點(diǎn)火信號(hào)輸出模塊接收到有效的電氣分離信號(hào)后開始計(jì)時(shí)并停止接收電氣分離信號(hào)，到達(dá)時(shí)序裝訂時(shí)間輸出備點(diǎn)火信號(hào)給或門芯片，重新啟動(dòng)接收電氣分離信號(hào)。主、備點(diǎn)火信號(hào)經(jīng)過或門后送給達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)芯片，最終輸出有驅(qū)動(dòng)能力的控制信號(hào)。

3 可靠性設(shè)計(jì)

在該點(diǎn)火控制模塊的設(shè)計(jì)中，可靠性方面具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：（1）使用的兩種微控制器有不同的失效模式，且CPLD 是可編程硬件電路，不存在像單片機(jī)程序跑飛的情況；在飛行過程中兩種微控制器互不影響，也不受外部信號(hào)和指令的影響，獨(dú)立完成點(diǎn)火控制，可靠性大大提高。兩個(gè)控制器互有分工，只在點(diǎn)火控制上進(jìn)行雙冗余設(shè)計(jì)，兼顧了低成本的要求。（2）單片機(jī)軟件設(shè)置了復(fù)位模式識(shí)別功能，保證飛行中單片機(jī)因干擾發(fā)生復(fù)位時(shí)不會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)電復(fù)位，確保CPLD 可以繼續(xù)控制點(diǎn)火，而在地面正常上電時(shí)能夠控制轉(zhuǎn)電復(fù)位。為點(diǎn)火控制產(chǎn)品針對(duì)飛行中復(fù)位的問題提出了簡(jiǎn)潔、有效的處理方案[8]。

4 結(jié)論

經(jīng)過產(chǎn)品實(shí)物測(cè)試，點(diǎn)火時(shí)間設(shè)定為300s 時(shí)單片機(jī)和CPLD 的時(shí)序輸出誤差在10ms 以內(nèi)，點(diǎn)火脈寬設(shè)定為200ms 時(shí)輸出誤差在1ms 以內(nèi)，滿足任務(wù)需要。為模擬飛行中單片機(jī)發(fā)生復(fù)位的情況，在電氣分離信號(hào)有效即點(diǎn)火控制模塊開始計(jì)時(shí)后，人為對(duì)單片機(jī)進(jìn)行外部復(fù)位，測(cè)試產(chǎn)品供電正常，未發(fā)生轉(zhuǎn)電復(fù)位，到達(dá)點(diǎn)火時(shí)刻單片機(jī)點(diǎn)火時(shí)序未發(fā)出，CPLD 點(diǎn)火時(shí)序正常發(fā)出，證明產(chǎn)品功能完整實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)采用較少的硬件電路實(shí)現(xiàn)高可靠的點(diǎn)火控制，兩種類型的微控制器不會(huì)因同一種問題失效，通過軟件方式解決微控制器受干擾復(fù)位后會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品斷電的問題，實(shí)現(xiàn)成本較低。