基于PXI技術的運載火箭控制系統外系統等效裝置的設計

鄧 健，漆光平，王永利，周 歡，丁芳頤

（北京航天自動控制研究所，北京，100854）

基于PXI技術的運載火箭控制系統外系統等效裝置的設計

鄧 健，漆光平，王永利，周 歡，丁芳頤

（北京航天自動控制研究所，北京，100854）

運載火箭控制系統與外系統的接口功能的檢驗是控制系統設備交付使用前的必要條件。提出了一種基于PXI技術的控制系統外系統等效裝置設計方案，該等效裝置將控制系統的信號通過相應的調理板電路轉換成PXI板卡可以識別的信號，上位機軟件按照一定的算法將信號還原成控制系統的輸出信號，實現數據的存儲與顯示。試驗結果表明，該等效裝置可靠性高且性能穩定，已成功應用于航天測試系統。

運載火箭；控制系統；等效裝置；PXI技術

0 引 言

控制系統是運載火箭的重要組成部分，自動化測試程度高、測試項目全面、覆蓋面寬。但控制系統與其他系統接口的測試項目在綜合測試中大部分依靠手動測試，測試項目不夠全面（如人工使用通用信號源加激勵、在產品不加電的情況下進行遙測電阻測量等），具有測試狀態復雜、工作量大、耗費大量的人力且容易出錯，測試覆蓋性低等特點。目前，運載火箭電氣系統（包括測量系統和控制系統）的地面電氣系統已有等效箭上電氣系統的等效裝置，能夠較好地實現自動化測試。中國衛星在研制過程中也有了衛星供配電等效裝置。但運載火箭的控制系統還沒有外系統等效裝置可以實現外系統接口的自動化測試[1～4]。

PXI（PCI Extensions for Instrumentation）技術是PCI（Peripheral Component Interconnect）總線在儀器領域的擴展，是一種基于PC技術的面向測試測量和自動化應用的堅固平臺，與CPCI總線兼容，并擁有PCI總線的一切優點，同時還具備體積小、可靠性高、支持廠家眾多等優點。隨著計算機技術和總線技術的發展，PXI總線已成為應用較為最廣泛的測控總線之一[5,6]。本文提出了基于PXI技術的外系統等效裝置，不但可以對控制系統與外系統的接口進行全面測試，還具有可靠性高、狀態簡單、節省人力等特點。特別是在目前中國航天領域高密度發射的大背景下，對火箭系統的快速、可靠研制有著十分重要的現實意義。

外系統等效裝置系統原理如圖1所示。由圖1可見，控制系統的信號先進入外系統等效裝置的信號調理模塊，經過信號調理模塊的調理板轉換成模擬板卡和數字板卡可以識別的信號，PXI采集模塊采集到信號并實現相應數據處理、數據和波形的顯示等功能。

圖1 外系統等效裝置系統原理

1 系統硬件設計

1.1 PXI采集模塊的設計

PXI采集模塊是外系統等效裝置的核心部分，選用NI公司PXI-1031板卡作為控制單元，PXI-1031作為采集控制器專為PXI機箱設計，選用基于PXI-1031控制器的3U機箱，控制器PXI-1031能夠接受3U PXI和Compact PCI模塊。因此，選用PXI-1031控制器，就可以在機箱內根據需要擴展相應PXI板卡，應用于數據采集和測量。

對于采集控制系統的模擬信號，要求等效裝置要有較高的采樣深度和通道掃描速度，故選用NI公司的PXI-6255模擬板卡；PXI-6255具有80通道模擬AIO和24通道數字DIO，其中模擬通道的每通道獨立采樣率可達750 kS/s，采樣深度可達16 bit。另外，擴展的16個數字通道可直接用于驅動光耦。

對于采集控制系統輸出的數字量，要求等效裝置要有較高的計時精度與實時性，且需要并行處理，因此選用NI公司的FPGA板卡PXI-7813R；PXI-7813R具有160通道數字DIO，FPGA板卡時鐘為40 MHz，相當于每25 ns進行1次處理，且所有通道可并發執行，滿足實時性要求。

1.2 信號調理模塊設計

信號調理模塊的設計根據信號性質的不同對應不同的調理電路。本文對其直流電壓信號、帶電數字信號、數字量通訊信號、慣性測量組合（以下簡稱慣組）運行信號的調理電路進行設計。

1.2.1 模擬信號調理電路

模擬信號調理電路如圖2所示。

圖2 模擬信號調理電路

圖2 中的電路由可調電阻、阻抗匹配、隔離放大和隔離電源部分組成，可用于直流電平信號、直流電壓緩變信號的處理。直流電壓信號先通過可調電阻部分的分壓后，進入由運放OP07構成的阻抗匹配電路，最后經過ISO124芯片隔離放大、濾波后送給PXI-6255處理，DC-DC模塊WRA2415KS-1W用于給ISO124前級產生1組±15 V的隔離電源，這樣整個電路只需要1組±15 V電源給ISO124的后級供電即可，注意阻抗匹配電路和隔離放大電路的工作電壓范圍都在±10 V內，可調電阻分壓后輸出的電壓必須保證在±10 V內。當信號電壓已經在±10 V內，即便電位器移至最上端也會對輸入信號造成1/2的分壓，盡管16 bit采樣深度的PXI6255板卡損失1 bit后仍有15 bit，滿足采樣深度不小于12 bit的要求，但對于小信號電壓來說，信噪比太小，因此本方案給每路模擬信號預留了一組短路帽，當被測電壓低于±10 V時，套上短路帽即可。1.2.2 帶電數字信號調理電路

相似帶電數字信號調理電路如圖3所示。相似帶電數字信號包括帶電觸點信號、脈沖信號、開關信號。由于這些信號都是方波信號，因此接口電路統一用光耦實現。通過遙測端限流電阻的阻值，保證光耦工作電流位于5～15 mA的范圍內，并讓接收門檻電壓為輸入信號最高電平的1/2。當輸入信號為高電平時，驅動光耦導通，發光二極管使光敏三極管進入飽和區，光耦輸出低電平；當輸入信號為低電平時，光敏三極管工作于截止區，光耦輸出高電平。

圖3 相似帶電數字信號調理電路

1.2.3 數字量通訊信號調理電路

圖4為請求信號調理電路，其中遙測請求信號由測試平臺發往控制系統，作為請求信號，控制系統認定信號下降沿有效，接口電路采用光耦形式，可采用模擬板卡上驅動能力較大的DIO實現遙測請求功能。

圖4 請求信號調理電路

移位數碼信號由控制系統發往測試平臺，故調理電路應為光耦接收電路，此電路結構與相似帶電數字信號調理電路結構基本一致。

1.2.4 慣組運行信號調理電路

慣組運行信號調理電路如圖5所示，圖5慣組運行信號的幅度為0～(5±0.5) V，頻率不大于10 Hz，由于輸入信號的高電平不足以直接驅動光耦，因此測試平臺前級采用了滯回比較器設計方案，電路中的LM311比較器接成了滯回的形式，不但滿足了系統對測試平臺測試電流的要求，而且消除了信號紋波造成的災難性輸出抖動。

圖5 慣組運行信號調理電路

2 系統軟件設計

軟件開發平臺采用NI公司的LabVIEW2009軟件，LabVIEW是一種基于C語言的圖形化開發平臺，主要用于實現數據的收集、預處理及分析，利用LabVIEW可以實現多種總線與儀器串口驅動程序的協調工作，利用清晰簡潔的菜單圖標替代以往復雜的語言編寫，實現執行文件的獨立運行[7,8]。

上位機軟件主要有3個功能模塊：

a）測試任務的管理模塊，主要用于測試任務的添加、修改和刪除。

b）測試任務配置，是指針對一類被測對象進行測試時，需要配置的全部信息，每一個測試任務，定義了在相應任務的測試的整個過程中軟件控制各種儀器和模塊，施加激勵、測量響應的全部過程。

c）測試任務執行，主要包括任務的啟動和停止。當系統啟動后，板卡進行自檢和初始化參數設置。在上位機軟件選擇相應的測試任務并且啟動測試，模擬量采集和數字量采集程序同時打開并運行，當用戶在人機界面點擊“停止”時，系統所有程序停止運行，結束當前測試任務。

2.1 模擬信號采集程序設計

模擬量采集流程如圖6所示。在程序設計中使用NI-DAQmx創建虛擬通道函數來創建1個模擬輸入通道并對通道的輸入端進行設置，創建輸入最小值和最大值端口并配置模擬輸入的接地參考。

用NI-DAQmx定時函數來規定采樣時鐘，同時創建時鐘的采樣模式輸入端和每通道額定采樣數輸入端。NI-DAQmx開始任務函數來讀取FIFO中的采樣值，并通過寫入測量函數將讀到的采樣值采用相應的算法對數據進行處理，處理后得到的數據以波形的形式顯示，并且將數據存儲到相應的文件中，當接收到系統外部的結束命令后，停止此次采集任務。

圖6 模擬量采集流程

2.2 數字量采集程序設計

數字量采集流程如圖7所示，在程序設計中使用NI-DAQmx創建一個數字輸入通道。

圖7 數字量采集流程

NI-DAQmx開始任務函數來運行此次采集任務。NI-DAQmx讀取函數來讀取FIFO中的采樣值，根據系統配置決定是記錄脈沖數還是實時顯示讀到的數字量數據，將讀到的數據存儲到相應的文件中，當接收到系統外部的結束命令之后，停止此次采集任務。

3 試驗結果及分析

外系統等效裝置對控制系統發來的信號進行采集、處理、存儲，并以波形的方式顯示，模擬量采集功能、脈沖數技術功能均通過了與某運載火箭控制系統的聯合調試，測量到的控制系統的模擬量波形如圖8所示。

圖8 模擬量測量

脈沖數計數如表1所示，數字量數據見表2。

表1 脈沖數計數

表2 數字量數據

4 結束語

本文提出的基于PXI技術的外系統等效裝置，可對控制系統與外系統的接口在控制系統交付使用前得到全面、有效的自動化測試，可以避免手動測試帶來的狀態復雜、測試效率低、容易出錯、測試項目覆蓋不全面等問題。由于項目采用了PXI技術，使得設備具有一定的通用性，可以通過增加調理板卡，和模擬、數字采集板卡的形式增加硬件通路，使其能夠適應更多的運載火箭控制系統。

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[8] 林靜, 林振宇, 等. LabVIEW虛擬儀器程序設計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2010.

續圖2

從圖1中可知，位置分量的比對差值在5 m以內，與標稱彈道基本吻合；從圖2中可知，速度分量比對差的量值為厘米級。較之常規雷達測量數據定位結果，位置分量精度提高50%以上，速度分量精度提高1個數量級。

3 結 論

短基線干涉儀是航天發射場中重要的測控設備，承擔各種型號的火箭跟蹤測量任務，提供發射場安全控制系統所需的安全信息以及上升段航天器的外彈道參數信息，為保障發射安全和火箭的研制部門改進火箭性能發揮著重要作用。雷達測速、測元和短基線干涉儀測元數據的有效融合，實現了利用航區冗余的測速、測量數據完成高精度的外彈道數據處理。該方法的使用，為處理短基線干涉儀測量數據開拓了新的技術途徑，也為后續的航天發射任務數據處理工作的完成提供技術支持。

參 考 文 獻

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Design of External System Equivalent Device Based on PXI Technology

Deng Jian, Qi Guang-ping, Wang Yong-li, Zhou Huan, Ding Fang-yi
(Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing, 100854)

The check for interface function between launch vehicle control system and other systems is the requirement that delivered for use. A designing scheme of external system equivalent device based on the PXI technology is proposed. The signal of control system can be converted into the signal that the PXI board can recognize by equivalent device. Upper machine software can recover the signal of control system according to certain algorithm, and realize automatic data storage, display function. The result of test with a certain launch vehicle control system indicates that the external system equivalent is a high reliability and stable function of the equivalent, it has been applied in a space system.

Launch vehicle; Control system; Equivalent device; PXI technology

V233.7

A

1004-7182(2016)04-0102-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160426

2016-02-03

鄧 健（1984-），男，工程師，主要研究方向為飛行器控制系統綜合技術