一種高可靠的運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控設(shè)備

王之平，汪文明，王淑煒

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，飛行器測(cè)發(fā)控系統(tǒng)通用化程度、自動(dòng)化程度、集成度越來(lái)越高［1］。同時(shí)，為了降低發(fā)射的風(fēng)險(xiǎn)性，提高試驗(yàn)的安全性，導(dǎo)彈、火箭等飛行器多數(shù)采用遠(yuǎn)端發(fā)控的方式，可以從一定安全距離外控制飛行器的發(fā)射，這樣分布式測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的架構(gòu)成為主流的測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法［2-3］。目前，在役及在研的運(yùn)載火箭地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)采用的分布式架構(gòu)，適應(yīng)了現(xiàn)有行政分工和協(xié)作模式。但從工程實(shí)施和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，存在設(shè)備龐雜，測(cè)發(fā)流程智能化水平低，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，維修成本高等弊端；特別是在航天系統(tǒng)地面設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)下，現(xiàn)有方案顯得臃腫而不適應(yīng)。

經(jīng)過多年對(duì)運(yùn)載火箭地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的研制、分析，目前各型號(hào)的前端測(cè)試、發(fā)控類設(shè)備的基本組成相同，一般都由電源、控制設(shè)備、繼電器柜、開關(guān)量和模擬量輸入輸出設(shè)備等設(shè)備組成。目前前端測(cè)發(fā)控設(shè)備的主流架構(gòu)一般是基于PLC總線，或者是基于VXI總線或PXI總線［4］，搭配繼電器設(shè)備等完成，冗余方式一般采用雙機(jī)熱備或雙機(jī)冷備實(shí)現(xiàn)。

隨著運(yùn)載火箭地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)愈加復(fù)雜，基于上述總線的傳統(tǒng)測(cè)發(fā)控設(shè)備的缺陷也愈發(fā)暴露，主要包括：1）采用雙機(jī)備份的策略導(dǎo)致其體積和成本成倍增長(zhǎng)，且冗余控制線路復(fù)雜；2）測(cè)控設(shè)備采集信息、控制信息與設(shè)備自身的狀態(tài)信息通過同一通道或總線上傳，存在互相沖突的隱患，且影響設(shè)備控制信息的實(shí)時(shí)性；3）設(shè)備通用性差，同一套設(shè)備無(wú)法滿足不同運(yùn)載火箭的需求，設(shè)計(jì)成本高；4）設(shè)備維護(hù)方式復(fù)雜，維修性較差［5-6］。

針對(duì)上述需求，本文提出了一種高可靠的運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控設(shè)備，研究基于現(xiàn)有成熟、先進(jìn)的機(jī)內(nèi)總線＋功能模塊的一體化測(cè)發(fā)控設(shè)備，通過機(jī)內(nèi)自定義軟硬件接口，以及自研模塊相結(jié)合，對(duì)功能重復(fù)、設(shè)備繁冗、資源粗放的傳統(tǒng)測(cè)控類設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一整合，減小測(cè)控類設(shè)備的體積和規(guī)模，降低發(fā)射、維護(hù)、保障成本，提升地面設(shè)備技術(shù)水平。實(shí)現(xiàn)了測(cè)發(fā)控設(shè)備的通用化、小型化和高可靠性［7-8］。

1 需求分析

運(yùn)載火箭對(duì)于地面測(cè)發(fā)控設(shè)備的要求主要包括以下幾點(diǎn)：

1）通用化：對(duì)于不同型號(hào)運(yùn)載火箭的需求，測(cè)發(fā)控設(shè)備的整體架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)通用，對(duì)于不同需求盡量通過模塊數(shù)量的增減實(shí)現(xiàn)；

2）小型化：集成測(cè)發(fā)控功能所需的條件，設(shè)備內(nèi)部需要配置供配電系統(tǒng)、控制器、采集部分和控制部分等；

3）高可靠：測(cè)發(fā)控設(shè)備內(nèi)部無(wú)單點(diǎn)環(huán)節(jié)，所有硬件均有冗余備份，軟件部分考慮通信異常下的處置；

4）維修性：設(shè)備的內(nèi)部模塊能夠?qū)崿F(xiàn)快速的維修更換。

現(xiàn)代機(jī)內(nèi)高速總線、BIT 自檢測(cè)技術(shù)等數(shù)字技術(shù)的取得了飛速發(fā)展，尤其是超大規(guī)模集成芯片、計(jì)算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)的跨越式進(jìn)步，為新型一體化地面測(cè)試發(fā)控設(shè)備的研制提供了技術(shù)保證。一種高可靠的運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控設(shè)備的設(shè)計(jì)思路就是采用以功能進(jìn)行整合的劃分方式，結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，并利用先進(jìn)、高速的機(jī)內(nèi)總線，將傳統(tǒng)運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)、動(dòng)力測(cè)控系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、發(fā)射支持系統(tǒng)的地面設(shè)備小型化、模塊化后進(jìn)行集成化、一體化改進(jìn)。此外，為確保原有地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的發(fā)射可靠性，還需要研究新型一體化后的測(cè)發(fā)控冗余模式［9-10］。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述的需求分析，一種高可靠的運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控設(shè)備的總體架構(gòu)采用 “機(jī)箱＋模塊”的設(shè)計(jì)方案，其硬件架構(gòu)如圖1所示，主要包括6U 機(jī)箱、背板、信號(hào)轉(zhuǎn)接板、對(duì)外連接器、機(jī)內(nèi)總線以及各個(gè)功能模塊，功能模塊主要包括冗余的控制器模塊、冗余的電源模塊以及多種功能模塊，多種功能模塊可以是模擬量采集模塊、開關(guān)量采集模塊、模擬量輸出模塊、開關(guān)量輸出模塊、串口通信模塊或其他功能模塊中的一種或幾種［11-14］。

圖1 測(cè)發(fā)控設(shè)備總體架構(gòu)

機(jī)箱為控制器模塊、電源模塊、功能模塊、背板、信號(hào)轉(zhuǎn)接板以及對(duì)外的連接器提供安裝結(jié)構(gòu)，并提供設(shè)備工作的基本顯示以及控制開關(guān)；機(jī)內(nèi)總線包括兩條冗余的CAN 總線和兩條冗余的RS485總線；各個(gè)功能模塊均采用CPCI架構(gòu)的接口形式，機(jī)箱背板上設(shè)有控制器模塊的插槽、電源模塊的插槽、多個(gè)能夠接插功能模塊的插槽，插槽采用CPCI架構(gòu)的接口形式，控制器模塊、電源模塊和各個(gè)功能模塊能夠配合插接在對(duì)應(yīng)的插槽內(nèi)；控制器模塊、電源模塊和各個(gè)功能模塊通過背板上的機(jī)內(nèi)總線完成數(shù)據(jù)與指令的交互；各功能模塊接收控制器模塊的信息，完成相應(yīng)的采集或輸出動(dòng)作；信號(hào)轉(zhuǎn)接板與背板連接，各個(gè)功能模塊的輸入輸出信號(hào)通過信號(hào)轉(zhuǎn)接板建立與航插的相應(yīng)映射關(guān)系；對(duì)外連接器均安裝在機(jī)箱上，與信號(hào)轉(zhuǎn)接板連接，可以包括以太網(wǎng)口、USB口、串口或其他自定義接口［15-18］。

該運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控設(shè)備的架構(gòu)支持級(jí)聯(lián)使用，即當(dāng)其內(nèi)部槽位不滿足功能模塊的數(shù)量時(shí)，可以增加級(jí)聯(lián)機(jī)箱，將其余的功能模塊插入級(jí)聯(lián)機(jī)箱，級(jí)聯(lián)機(jī)箱內(nèi)無(wú)控制器模塊，其余設(shè)計(jì)與主機(jī)箱相同。各個(gè)機(jī)箱內(nèi)的供電由各個(gè)機(jī)箱內(nèi)的電源模塊完成，但級(jí)聯(lián)機(jī)箱內(nèi)的控制信息仍由主機(jī)箱內(nèi)的控制器模塊發(fā)出，增加級(jí)聯(lián)機(jī)箱的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)發(fā)控設(shè)備級(jí)聯(lián)使用模式

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)箱箱體采用加固結(jié)構(gòu)機(jī)箱，后出線方式。整機(jī)浮地設(shè)計(jì)，數(shù)字地和安全地隔離，電源插座的地線連接產(chǎn)品的安全地和機(jī)殼，避免系統(tǒng)和大地的干擾引入到數(shù)字地上，減少對(duì)外界對(duì)系統(tǒng)的干擾［19-20］。

內(nèi)部設(shè)計(jì)鎖緊條，用于對(duì)各個(gè)模塊的鎖緊，機(jī)箱前面設(shè)計(jì)有金屬蓋板，機(jī)箱內(nèi)部采用風(fēng)道設(shè)計(jì)進(jìn)行散熱。所有模塊采用前插卡方式，在面板右側(cè)設(shè)計(jì)有電源開關(guān)。

機(jī)箱底板由兩層組成，分別為BUS 板和SUPPROT板，BUS板主要用于實(shí)現(xiàn)控制器模塊與其他功能模板的互聯(lián)，以及功能模塊的后出線的引出至矩形接插件。SUPPROT 板主要實(shí)現(xiàn)將BUS板矩形接插件分組連接至機(jī)箱接插件上。

結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)箱底板連接示意圖

2.3 機(jī)內(nèi)總線設(shè)計(jì)

機(jī)內(nèi)總線采用雙總線設(shè)計(jì)，雙總線設(shè)計(jì)的目的一方面是按照信息類型，將業(yè)務(wù)信息和管理信息分開，使業(yè)務(wù)信息和管理信息分別運(yùn)行在兩條總線上，減少管理信息對(duì)業(yè)務(wù)信息的影響，另一方面是實(shí)現(xiàn)總線的異構(gòu)冗余，提升機(jī)內(nèi)通信的可靠性。

業(yè)務(wù)信息是指其他模塊采集的箭上的模擬量和狀態(tài)量等信息，以及向箭上發(fā)送的指令等，管理信息是指測(cè)發(fā)控設(shè)備內(nèi)部的各個(gè)模塊的信息，如模塊的溫度、二次電源電壓、電流、自檢信息等。由于業(yè)務(wù)信息體量不大，但對(duì)于傳輸?shù)目煽啃砸筝^高，因此運(yùn)行在兩條冗余的CAN 總線上，管理信息內(nèi)容較多，但均是緩變信息，對(duì)精度和頻率要求不高，因此運(yùn)行在兩條冗余的RS485總線上。

當(dāng)運(yùn)行業(yè)務(wù)信息的CAN 總線完全失效時(shí)，控制器模塊可以將業(yè)務(wù)信息遷移至RS485總線，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)冗余。此時(shí)，被遷移的RS485總線將不再接收管理信息。

考慮到降額設(shè)計(jì)，將CAN總線的波特率設(shè)置為500kbps，將RS485總線的波特率設(shè)置為19 200bps。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

該運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)主要包括如下幾點(diǎn)：

1）采用軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)槽位的通用化設(shè)計(jì)，在機(jī)箱背板上設(shè)計(jì)識(shí)別區(qū)，通過識(shí)別區(qū)內(nèi)點(diǎn)位的短接實(shí)現(xiàn)模塊對(duì)機(jī)箱和槽位的識(shí)別，通過上電后控制器模塊對(duì)各個(gè)槽位內(nèi)模塊的點(diǎn)名和回應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)槽位內(nèi)模塊類型的識(shí)別；

2）通過模塊熱備和總線熱備兩級(jí)熱備形式，提高設(shè)備的可靠性，實(shí)現(xiàn)一個(gè)機(jī)箱內(nèi)部的全功能冗余，且通過內(nèi)部通信協(xié)議制定通信模式，覆蓋機(jī)內(nèi)模塊斷電、跑死、跑飛和總線故障等全部故障模式；

3）基于總體設(shè)計(jì)方案，完成適配機(jī)箱的各功能模塊的方案，實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)、控制器、采集部分和控制部分等的集成，優(yōu)化設(shè)備體積，實(shí)現(xiàn)小型化。

3 熱備方案設(shè)計(jì)

3.1 模塊熱備方案

一種高可靠的運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控設(shè)備內(nèi)模塊按照其功能的重要程度采用不同的熱備冗余方案，首先在設(shè)計(jì)階段，將其內(nèi)部的模塊按照重要程度從低到高分為I、II、III三類，其中I類模塊為不影響設(shè)備的主要功能的模塊，其功能異常不會(huì)對(duì)運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)流程產(chǎn)生影響，如采集環(huán)境溫濕度等的模塊；II類模塊為控制運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控流程的模塊，如控制器模塊、電源模塊、采集箭上信息的模塊等；III類模塊為其采集或輸出信息對(duì)運(yùn)載火箭的安全性有影響的模塊，如輸出點(diǎn)火指令的模塊等。

對(duì)于I、II、III三類模塊，采取不同的模塊熱備的方案，其中I類模塊采用單模塊執(zhí)行功能，不采取熱備設(shè)計(jì)，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)其信息可以舍棄；II類模塊采取主從冗余的熱備方案，對(duì)于采集類模塊，主從模塊均進(jìn)行采集，進(jìn)行相應(yīng)處理后上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示，對(duì)于輸出類模塊，采取主模塊輸出，從模塊跟隨的方案，保證主從模塊的一致性；III類模塊采取三個(gè)模塊以上的熱備策略，對(duì)于采集類模塊，需要采取諸如三取二或五取三等的判斷后，方能向上位機(jī)進(jìn)行傳輸，對(duì)于輸出類模塊，需要在測(cè)發(fā)控設(shè)備后設(shè)計(jì)相應(yīng)的表決器，方能向箭上進(jìn)行輸出。

3.2 總線熱備方案

一種高可靠的運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控設(shè)備的機(jī)內(nèi)總線熱備方案分為單種總線熱備和雙總線熱備兩種。

單種總線熱備指運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控設(shè)備內(nèi)的兩條冗余的CAN 總線或兩條冗余的RS485總線的冗余策略。以兩條冗余的CAN 總線（下面稱之為CAN 總線A 和CAN 總線B）為例進(jìn)行說(shuō)明，由圖1測(cè)發(fā)控設(shè)備總體架構(gòu)可以看出，所有的模塊均掛在CAN 總線A 和CAN 總線B 上，此設(shè)計(jì)CAN 總線A 用于控制器模塊A 與電源模塊及其他功能模塊進(jìn)行通信，CAN 總線B用于控制器模塊B與電源模塊及其他功能模塊進(jìn)行通信。將控制器模塊與總線主從進(jìn)行綁定，來(lái)解決控制器模塊異常時(shí)長(zhǎng)時(shí)間占用總線導(dǎo)致總線阻塞的問題。兩條冗余的RS485 總線的冗余策略同兩條冗余的CAN 總線策略相同。

雙總線熱備指運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控設(shè)備內(nèi)的CAN 總線和RS485總線的冗余策略。業(yè)務(wù)信息運(yùn)行在CAN 總線上，當(dāng)CAN 總線A 異常時(shí)，該運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控設(shè)備將進(jìn)行自動(dòng)切換，使得控制器模塊B通過CAN 總線B執(zhí)行相關(guān)業(yè)務(wù)，當(dāng)CAN 總線B也發(fā)生了異常，控制器模塊B則會(huì)將業(yè)務(wù)信息遷移至RS485總線上運(yùn)行，此時(shí)RS485總線B 將不再接收管理信息。

4 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

4.1 通信模式

如上述總線熱備方案所述，為保證CAN 總線和RS485總線的異構(gòu)冗余，CAN 總線和RS485總線應(yīng)該遵循相同的通信模式。除此之外，其考慮的因素還包括以下幾個(gè)方面：

1）由于控制器模塊、電源模塊和功能模塊均掛在在總線上，因此機(jī)內(nèi)CAN 和RS485總線的信息均是以廣播的形式發(fā)出，各個(gè)節(jié)點(diǎn)均能夠收到。因此需要在信息中明確本信息的接收模塊，即需要明確模塊所在的機(jī)箱、槽位和模塊類型等；

2）為保證通信的可靠性，機(jī)內(nèi)的總線通信需要設(shè)計(jì)重傳機(jī)制；

3）為保證通信的實(shí)時(shí)性，需要保障機(jī)內(nèi)通信信息流的確定性，所有信息的發(fā)送均由控制器模塊控制，其他模塊不主動(dòng)發(fā)送信息；

4）信息內(nèi)需要對(duì)主從控制器進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

基于上述的約束條件，機(jī)內(nèi)總線的通信模式設(shè)計(jì)如下：

1）總線通信采用指令／響應(yīng)式的傳輸方式，由控制器模塊A 作為主節(jié)點(diǎn)，控制器模塊B 作為備份主節(jié)點(diǎn)，其他模塊作為從節(jié)點(diǎn)。由主節(jié)點(diǎn)發(fā)出指令，從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)答；從節(jié)點(diǎn)不主動(dòng)發(fā)出指令；

2）控制器模塊A 和控制器模塊B同一時(shí)刻僅有一個(gè)控制器模塊當(dāng)班，僅當(dāng)班控制器模塊向其他模塊發(fā)送指令；

3）其他模塊收到指令時(shí)，需要對(duì)指令的信源進(jìn)行判斷，若該指令來(lái)自非當(dāng)班控制器模塊，則棄之，上電后默認(rèn)控制器模塊A 為當(dāng)班控制器模塊；

4）一次上電后，控制器模塊A 和控制器模塊B最多進(jìn)行一次切換動(dòng)作，為控制器模塊A 當(dāng)班切換成控制器模塊B當(dāng)班；

5）總線協(xié)議內(nèi)設(shè)置幀計(jì)數(shù)，用于標(biāo)識(shí)信息幀的順序，其他模塊收到需要判斷幀計(jì)數(shù)的指令后，其他模塊首先判斷幀計(jì)數(shù)需不小于前一指令幀計(jì)數(shù)，否則舍棄，然后判斷重傳標(biāo)志，若為重傳指令，則幀計(jì)數(shù)需與原指令相同；

6）控制器模塊向其他模塊下發(fā)的指令分為兩類，一類是需要二次確認(rèn)的指令，具有幀計(jì)數(shù)和重傳標(biāo)志。其余指令為第二類，可以直接執(zhí)行，無(wú)幀計(jì)數(shù)和重傳標(biāo)志；

7）各模塊在執(zhí)行某一指令時(shí)，不響應(yīng)其他指令。

4.2 CAN總線協(xié)議設(shè)計(jì)

CAN 總線采用標(biāo)準(zhǔn)CAN2.0B協(xié)議。采用擴(kuò)展幀模式，擴(kuò)展幀的識(shí)別符是29位（ID28～I(xiàn)D0）。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)。由于CAN 總線的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有限，因此數(shù)據(jù)區(qū)主要存儲(chǔ)具體的采集或控制信息，識(shí)別符存儲(chǔ)信源、信宿和重傳等信息。

將29位識(shí)別符如表1所示，分為以下幾個(gè)部分。

表1 識(shí)別符定義

各部分說(shuō)明如表2所示。

表2 識(shí)別符各部分說(shuō)明

CAN 總線數(shù)據(jù)場(chǎng)定義如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)場(chǎng)定義

4.3 RS485總線協(xié)議設(shè)計(jì)

RS485網(wǎng)絡(luò)的通訊波特率采用19 200bps，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。

RS485總線的設(shè)計(jì)思路同CAN 總線相同，通訊數(shù)據(jù)幀格式如表4所示。

表4 RS485數(shù)據(jù)幀格式

4.4 主從切換策略

為保障控制器模塊的主從切換過程中，不會(huì)引起整機(jī)的異常，因此對(duì)于控制器模塊的主從切換策略需要進(jìn)行單獨(dú)的約定，其中包括切換判斷條件和切換過程兩個(gè)部分。

切換判斷條件分為兩種，一種是主動(dòng)切換，另一種是自動(dòng)切換，主動(dòng)切換是指收到后端計(jì)算機(jī)發(fā)送的手動(dòng)主從切換指令后能夠執(zhí)行；自動(dòng)切換是指一個(gè)控制器模塊未能收到對(duì)方控制器模塊的心跳信息，或心跳信息異常時(shí)執(zhí)行，一般心跳信息的周期設(shè)置為100ms，判斷條件為若連續(xù)三幀未收到或連續(xù)三幀異常，則啟動(dòng)主從切換流程；

切換過程為首先從控制器模塊通過RS485總線向主控制器模塊發(fā)送主從切換指令，連續(xù)發(fā)送三次，間隔100ms，不等待主控制器模塊回復(fù)；主控制器模塊收到從控制器模塊發(fā)送的主從切換指令后，停止所有業(yè)務(wù)，并終止所有對(duì)外輸出，從控制器模塊發(fā)送主從切換指令完成后，通過CAN 總線向各功能模塊發(fā)送主從切換結(jié)果指令，各個(gè)控制器模塊收到該指令后，即認(rèn)為是從控制器模塊當(dāng)班，開始接收從控制器模塊的指令，并停止接收主控制器模塊的指令。

5 主要模塊及軟件設(shè)計(jì)

5.1 控制器模塊

控制器模塊采用Intel處理器，為標(biāo)準(zhǔn)CPCI 6U 模塊。功能和技術(shù)指標(biāo)如下：

1）Intel Atom Z520處理器；主頻1.33GHz；無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)；前端總線：533MHz；

2）板載存儲(chǔ)器2GB；

3）系統(tǒng)集成中心芯片組采用Intel的poulsbo；

4）總線：CompactPCI總線：32bit、33／66 MHz總線接口；兼容PICMG2.0R3.0；

5）支持5V 和3.3V 信號(hào)環(huán)境；

6）負(fù)載能力：支持7個(gè)CompactPCI擴(kuò)展模塊；

7）顯示接口：顯示控制器為poulsbo集成的GMA500；顯示分辨率最大支持1 920×1 600＠75Hz，32-bit真彩；1路VGA 信號(hào)（前、后出線）；1路LVDS信號(hào)（前出線）；USB接口：4路USB2.0；

8）網(wǎng)絡(luò)接口：2個(gè)10／100／1 000 M 自適應(yīng)網(wǎng)口（前、后出線），兩個(gè)8kB FIFO；

9）硬盤接口：1個(gè)IDE接口；

10）PS／2接口：PS／2鍵盤、鼠標(biāo)接口各1個(gè)；

11）擴(kuò)展接口：

RS422／RS485可選接口2路（一路僅支持后出線，另外一路前、后出線），RS485接口1路（前后出線），最大通信速率可達(dá)921.6kbps；接收端匹配120Ω 電阻；接口設(shè)計(jì)光電隔離；

CAN 接口2 個(gè)，通信位速率可達(dá)1 Mbps；匹配電阻120Ω 通過軟件可選；接口設(shè)計(jì)光電隔離；

12）功耗不大于12 W。

5.2 電源模塊

電源模塊的設(shè)計(jì)如圖4所示，有以下功能電路：

圖4 電源模塊組成框圖

1）輸入濾波整流電路：將AC220V 整流濾波成300V直流電壓。

2）DC／DC變換電路：將300V 直流電壓隔離變換成整機(jī)需要的5V 直流輸出電壓。

3）輸出濾波電路：濾除輸出電壓中的共模干擾和差模干擾信號(hào)。

4）冗余控制電路：由于電源由兩塊有冗余功能的電源板組成，為防止倒灌，電源設(shè)計(jì)有防倒灌電路。

5.3 模擬量采集模塊

模擬量采集模塊采用TMS320F28335 處理器提供XINTF接口，可擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器FLASH 和SRAM；通過自帶的CAN 模塊實(shí)現(xiàn)2路CAN 通訊接口功能；通過自帶的UART 模塊實(shí)現(xiàn)2路RS485通訊功能。

接口電路單元由EP1C20F400可編程器件提供6路電阻信號(hào)、和120路電流信號(hào)獨(dú)立通道的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)交互、信號(hào)采集及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

5.4 開關(guān)量采集模塊

開關(guān)量采集模塊主要用于0～32V 范圍內(nèi)開關(guān)狀態(tài)輸入量以及不帶電觸點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)采集。同時(shí)設(shè)計(jì)有2路CAN 和1路485的通信接口，單板支持熱插拔、具有自檢功能。

由板上的MCU 單元實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集，支持有源信號(hào)和無(wú)源觸點(diǎn)信號(hào)的采集。

5.5 開關(guān)量輸出模塊

按設(shè)備可靠性和小型化的要求，開關(guān)量輸出模塊基于固態(tài)配電器設(shè)計(jì)。開關(guān)量輸出模塊電源輸入由背板提供，通過匯流條分成配電開關(guān)，通過背板連接器連接至外部負(fù)載上；通過模塊上的FPGA 及外圍電路完成CAN 總線和RS485總線的通信。

5.6 軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控設(shè)備的軟件包括兩個(gè)部分，一個(gè)是控制器模塊上運(yùn)行的軟件，另一個(gè)是各個(gè)功能模塊上運(yùn)行的軟件。控制器模塊部署VxWorks 6.8操作系統(tǒng)，基于Vx-Works操作系統(tǒng)完成應(yīng)用軟件的開發(fā)。各個(gè)功能模塊上的軟件為嵌入式軟件，主要基于各個(gè)功能模塊上的處理器（DSP或FPGA 等）開發(fā)完成。

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文所述的測(cè)發(fā)控設(shè)備已在某運(yùn)載火箭型號(hào)中正式應(yīng)用，在系統(tǒng)環(huán)境下，使用系統(tǒng)等效器對(duì)其進(jìn)行聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境搭建情況如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)環(huán)境示意圖

測(cè)發(fā)控設(shè)備通過直連電纜與等效器連接，受上位機(jī)發(fā)送指令控制，采集等效器模擬的模擬量和開關(guān)量，并向等效器發(fā)送指令。測(cè)試項(xiàng)目包括如下內(nèi)容：

1）測(cè)發(fā)控設(shè)備的機(jī)械接口；

2）測(cè)發(fā)控設(shè)備模擬量采集功能；

3）測(cè)發(fā)控設(shè)備開關(guān)量采集功能；

4）測(cè)發(fā)控設(shè)備開關(guān)量輸出功能；

5）測(cè)發(fā)控設(shè)備主從切換功能；

6）測(cè)發(fā)控設(shè)備一度故障下的工作狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)果如下：

1）測(cè)發(fā)控設(shè)備的各個(gè)模塊能夠接入6U 機(jī)箱中，并能夠從背板上獲得供電、接入總線以及識(shí)別槽位，并且支持模塊的隨機(jī)插入，實(shí)現(xiàn)了很好的通用化；

2）測(cè)發(fā)控設(shè)備能夠接收等效器發(fā)送的0～28V 模擬量信息，包含采集、處理、上傳等所有環(huán)節(jié)的測(cè)量誤差小于2%；

3）測(cè)發(fā)控設(shè)備能夠接收等效器發(fā)送的開關(guān)量信息，包含采集、處理、上傳等所有環(huán)節(jié)的采集延時(shí)不超過100ms；

4）測(cè)發(fā)控設(shè)備能夠向等效器發(fā)送開關(guān)量狀態(tài)輸出，包含接收上位機(jī)指令、處理指令、發(fā)送指令等所有環(huán)節(jié)的輸出延時(shí)不超過10ms；

5）測(cè)發(fā)控設(shè)備具有主從切換功能，當(dāng)收到上位機(jī)的主從切換指令，或主控制器模塊故障后，均能夠啟動(dòng)主從切換程序，自動(dòng)主從切換（即主控制器模塊故障后）至主從切換完成的事件不超過500ms；

6）測(cè)發(fā)控設(shè)備在一度故障下所有功能均正常，具體進(jìn)行過測(cè)試的一度故障包括機(jī)箱包含所有模塊在內(nèi)的單模塊斷電狀態(tài)、控制器模塊跑死跑飛狀態(tài)、開關(guān)量輸出模塊的不響應(yīng)狀態(tài)以及機(jī)內(nèi)總線的單條故障狀態(tài)。

經(jīng)過上述測(cè)試，能夠驗(yàn)證本文提出的運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控設(shè)備的方案正確可靠，并能夠滿足某型號(hào)運(yùn)載火箭的實(shí)際使用需求。

7 結(jié)束語(yǔ)

地面測(cè)試發(fā)射設(shè)備研究是解決運(yùn)載火箭領(lǐng)域地面設(shè)備的現(xiàn)實(shí)難題、增強(qiáng)管理效能的必由之路。地面測(cè)試發(fā)射設(shè)備的研究，有利于整合火箭各系統(tǒng)測(cè)試發(fā)射要求，提高設(shè)備通用性和型號(hào)兼容性，增強(qiáng)自動(dòng)化操作能力，縮小設(shè)備規(guī)模和減少操作崗位，理順設(shè)備更新渠道，提高航天測(cè)試發(fā)射效率和任務(wù)可靠性。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高可靠的運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控設(shè)備，該設(shè)備具備自定義的軟硬件接口，通過與自研模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了測(cè)發(fā)控設(shè)備的小型化、智能化和通用化。目前該設(shè)備已于某新型低溫液體運(yùn)載火箭上成功應(yīng)用，參與了包括首飛在內(nèi)的多次飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的正確性和可行性。后續(xù)可廣泛應(yīng)用在我國(guó)航天發(fā)射領(lǐng)域以及地面通信領(lǐng)域。