分布式脈沖監測系統

作者/ 陳宇峰 薛征 陳杭 上海航天控制技術(shù)研究所(上海 201109)

　　摘要：針對火箭脈沖信號通道多、寬度窄、時(shí)序復雜、精度高等特點(diǎn)，本文設計了一套高精度分布式冗余脈沖監測系統。系統硬件采用CPCI結構脈沖調理板卡、脈沖采集板、冗余供電電源和脈沖信號顯示燈組成。系統軟件采用Labview平臺開(kāi)發(fā)，實(shí)時(shí)監測脈沖信號，顯示脈沖寬度、脈沖次數、脈沖到達北京時(shí)間、脈沖到達相對時(shí)間，以表格的形式顯示脈沖信息，以虛擬燈的形式顯示脈沖時(shí)序并與系統硬件中的脈沖信號顯示燈對應。系統試驗完成后，通過(guò)回放文件中保存的脈沖到達時(shí)序和硬件板卡中存放的脈沖試驗信息驗證查看試驗效果。

引言

　　運載火箭時(shí)序系統在火箭飛行過(guò)程中按預先確定的時(shí)序和時(shí)間接通或斷開(kāi)相應電路的時(shí)間控制指令串，指令串采用脈沖信號的形式發(fā)送到各個(gè)執行部件，控制火箭飛行。

　　高精度分布式脈沖監測系統實(shí)時(shí)監測運載火箭時(shí)序系統在地面試驗過(guò)程中發(fā)出的脈沖信號，記錄脈沖次數、到達時(shí)間、寬度和時(shí)序，并與試驗要求時(shí)序進(jìn)行數據比對，驗證時(shí)序系統信號，監測火箭時(shí)序控制部件。

1 系統設計

　　系統組成框圖如圖1所示。監測系統由測試電纜、測試設備和測試軟件三部分組成。測試電纜即能適用實(shí)驗環(huán)境，也可適應發(fā)射場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境，電纜外層采用絕緣橡膠保護。測試設備采用定制CPCI機箱，機箱中插入6塊3U脈沖調理卡、1塊脈沖采集卡、2塊互為熱備份的供電電源和1塊面板LED信號燈。脈沖調理卡調理脈沖信號，點(diǎn)亮對應的面板顯示燈，同時(shí)通過(guò)定制的CPCI背板傳輸到脈沖采集卡中;脈沖采集卡實(shí)時(shí)采集脈沖信號，存儲到板卡設計的FLASH存儲器中，可使用上位機軟件事后導出，同時(shí)脈沖采集卡通過(guò)485串口與上位機軟件進(jìn)行應答式通訊，上傳脈沖數據。面板LED信號燈采用面板貼膜的方式顯示信號燈對應的物理含義，不同的物理含義可通過(guò)更換貼膜實(shí)現更改。測試軟件采用Labview平臺開(kāi)發(fā)設計，軟件采用配置文件配置試驗標準信號時(shí)序，同時(shí)使用表格和虛擬燈的形式顯示脈沖信號試驗數據，虛擬燈與測試設備面板的信號燈一一對應。軟件實(shí)時(shí)保存信號試驗過(guò)程數據，并可在事后回放試驗數據，與測試設備中存儲的脈沖數據進(jìn)行比對驗證。

　　1.1 監測系統硬件設計

　　嵌入式測試設備采用4UCPCI架構，對每塊印制板采用六點(diǎn)定位并帶鎖緊裝置和助拔裝置，方便調試和拆裝。印制板采用標準3U高度設計，為標準CPCI板卡尺寸。板卡插槽用于插入脈沖信號調理板卡、脈沖采集板卡和電源供電模塊。脈沖采集板卡與電源板卡隔槽安裝，防止電源板卡干擾FPGA脈沖采集板卡正常工作。電源模塊采用標準的250W RTX電源，該電源模塊使用CPCI總線(xiàn)，有5V/33A、3.3V/33A、12V/6A和-12V/1.5A輸出端口。根據電路中的功耗計算，此類(lèi)電源符合設備的一類(lèi)降額標準，并且對其冗余設計，即用兩個(gè)相同的電源并聯(lián)輸出，即使一個(gè)電源發(fā)生故障，設備也不會(huì )停止工作，從而保證測試設備安全、可靠地工作。設備組成框圖如圖2所示。

　　每個(gè)嵌入式采集設備前面板上有LED信號顯示燈和設備復位按鈕，復位按鈕可復位面板燈顯示狀態(tài)。插槽中有6塊板卡，每塊板卡可調理12路脈沖信號，高端一點(diǎn)雙線(xiàn)，低端單點(diǎn)單線(xiàn)，共72路。設備通電后，上位機軟件給各臺嵌入式采集設備發(fā)送開(kāi)始命令，測試設備開(kāi)始監測箭上信號并開(kāi)始計時(shí)。當箭上時(shí)序系統發(fā)出脈沖信號，嵌入式采集設備通過(guò)脈沖信號調理卡調理脈沖信號，然后把信號發(fā)送到嵌入式采集設備前面板，用LED燈顯示，并保持燈亮至復位按鈕按下，同時(shí)該信號被FPGA脈沖采集板卡實(shí)時(shí)采集調理信號，存儲在FPGA脈沖采集板卡的FRAM中，當上位機軟件發(fā)送數據提取命令，FPGA脈沖采集板卡上傳脈沖信號數據給上位機軟件。

　　脈沖調理板卡設計如圖3所示。

　　脈寬Vin輸入電壓為25V～40V ，與Vref作比較，低于10V脈沖信號不響應，遲滯電壓為1V，比較器輸出經(jīng)后端磁耦隔離和電平轉換，送入FPGA采樣脈沖采集板卡，脈寬寬度小于60μs，由FPGA脈沖采集板卡自動(dòng)濾除。