一種電子負載模擬器方案設計

王 騫，王領華，呂建偉，余 群，王思峰

(中國運載火箭技術研究院,北京 100076)

0 引言

航天器電氣系統中包含眾多的壓力傳感器、電磁閥、自鎖閥、溫度傳感器、火工品等負載，電氣接口數量繁多，且各電氣部件在航天器內部布局分散導致其電纜連接復雜，在全系統進行電氣匹配試驗時需要花費大量的人力進行電纜的梳理和接插件的插拔，且容易出錯。另一方面電磁閥、自鎖閥的動作次數是有壽命限制的，航天器電氣匹配試驗要進行大量的測試，不可能每次測試都驅動真實電磁閥、自鎖閥進行動作，火工品更是不可能每次測試都引爆真實火工品。

電子負載模擬器用于模擬航天器電氣系統的負載信號特性，并將所有硬件模塊集成到一個標準機箱中，所有電氣信號接口通過若干接插件匯總對外進行連接，用于航天器電氣匹配試驗，既驗證了上游驅動電路的電氣匹配特性，又節省了梳理電纜和插拔接插件的繁瑣性。

1 設計原則

電子負載模擬器的設計原則主要包括：

1)在滿足各項功能和技術指標要求且性能穩定可靠的前提下，盡可能減小設備的設計復雜程度，提高結構和功能布局的合理性；

2)人機交互性好，便于操作和維護；

3)采用通用化和組合化的設計思想，提高電子負載模擬器的通用性，便于功能擴充。

2 系統功能及工作原理

電子負載模擬器由機箱、供電模塊、風扇模塊、壓力傳感器模塊、溫度傳感器模塊、閥門火工品模塊組成，實現了50路電磁閥和36路自鎖閥負載的模擬，并采集通電時間，采集誤差不大于1%；28路壓力傳感器信號的模擬，壓力值模擬精度優于1%；66路溫度傳感器的模擬，溫度值模擬精度優于1%；32路火工品負載的模擬，并采集火工品的供電電壓及通電時間，采集誤差均不大于1%。

系統板卡選用型號為CP62001的成熟板卡，包括主板和后傳板兩部分，配置IntelCore2處理器、4G內存、256G固態硬盤、4路以太網接口、1路RS232接口、1路RS422接口、4路USB接口，主板尺寸為233 mm×160 mm，后傳板尺寸為233 mm×80 mm。

每種功能模塊中都包含CPCI總線接口[1-2]，主要作用是在CPU和各功能模塊之間建立橋接通道。PCI總線協議芯片選用PCI9054[3-4]，局部總線接口由PCI9054的局部總線模式來實現，控制電路由FPGA實現。PCI9054是專門的PCI協議芯片，它的PCI端可以直接通過CPCI接插件與CPCI底板連接。

各個模塊的PCI控制部分如圖1所示，在模擬量輸出設置時，CPU模塊通過PCI9054發送指令給各個模塊的FPGA，再由FPGA解析成邏輯數字信號經隔離驅動之后發送給接口電路。在接收到PCU數字指令時，FPGA會產生中斷信號，并經PCI橋通知CPU模塊來接收數據。

圖1 PCI控制框圖

3 硬件模塊設計

3.1 機箱

機箱采用4U定制CPCI工控機箱，寬19英寸，高4 U，深346 mm，8個CPCI槽位，帶把手，可上架。

機箱使用鋼質機籠結構設計，增強了結構強度，機箱外表將使用噴塑工藝，機箱使用強制風冷設計，由右向左進風散熱。機箱安裝有把手及安裝孔，方便轉運及上架，前面板有兩個洗槽，用于粘貼銘牌。機箱前面板及后面板設計有兩個串聯的開關，用來控制設備加斷電。機箱支持后傳板擴展，設計中，背板一側的功能板卡后傳板集成了PCI接口電路、FPGA電路及隔離供電電路等，用于進行信號處理及接口控制。背板另一側的接口板集成了專用接口，用于完成不同功能。

3.2 供電模塊

電子負載模擬器使用AC/DC電源模塊為整個設備供電。電源模塊通過安裝螺絲安裝到機箱上，必要時可更換。設備系統板峰值功率不大于60 W，風扇組功率為24 W，各功能板卡總功率不大于60 W，設備用電峰值不大于144 W。

供電模塊分別提供3.3 V、5 V、+12 V、-12 V，用于各電路供電，為了保證設備的安全性，CPCI電源將AC220 V與直流3.3 V、5 V、+12 V、-12 V等電源進行了隔離。3.3 V、5 V、+12 V、-12 V又分別通過隔離模塊進行了二次隔離。

電源接地情況如圖2所示。

圖2 電源接地示意圖

3.3 風扇模塊

風扇模塊選用成熟產品，支持熱插拔。風扇上安裝有把手和安裝螺釘，必要時可進行風扇拆卸更換。風扇組使用4個相互獨立的8 025風扇，風向從右至左，通過撥碼可方便進行風速調節。

風扇使用撥碼開關設置的方式調速，在風扇盒右邊設計一個開孔，透過開孔可以調節風速。撥碼開關撥到1時，風速不轉，撥碼開關撥到2時風速轉速為50%，撥到3時風速為75%，撥到4時為100%，風扇默認風速為50%。

3.4 壓力傳感器信號模擬

壓力傳感器信號[5-6]的模擬使用DA輸出卡實現。板卡使用DA芯片輸出0～5.1 V電壓以涵蓋壓力傳感器輸出的1～5 V的壓力信號，單塊板卡提供72個輸出通路，輸出精度可以達到±10 mV，使用1塊板卡即可滿足技術要求所提的28路傳感器信號模擬功能。

在設計中采用FPGA控制D/A轉換器AD5372來實現模擬量的輸出。AD5372最大輸出5.1 V，12位分辨率，精度可達5 mV。其中，AD5372的復位端是通過FPGA的一個I/O引腳接一個10 kΩ的上拉電阻輸出實現控制的，它主要完成AD5372的上電配置控制。模擬量接口電路原理如圖3所示。

圖3 模擬量接口電路原理圖

3.5 溫度傳感器模擬

溫度傳感器模塊用于模擬真實溫度傳感器[7-8]，具備接口電磁隔離的特點。使用繼電器切換，使得溫度傳感器模擬板上電期間，可以輸出特定阻值，保證被測設備狀態穩定。使用數字電位器串聯的方式，兼顧了大輸出量程和小步進值的要求。

上位機通過PCI總線和9054橋芯片，將設置信息注入FPGA，FPGA解析設置信息后，按照數字電位器控制時序推出設置數據，經光電隔離后，驅動數字電位器輸出溫度量，再經輸出控制電路輸出至板卡接插件。

輸出接口采用數字電位器AD5235和MAX5496串聯來實現對溫度傳感器RT的仿真。兩者均為SPI控制接口的1 024分層的可調數字電位器，電阻溫漂值為35 ppm/℃。設計中電位器選用的量程為250 kΩ和10 kΩ，其中10 kΩ的最小分辨率為9.76 Ω。模擬溫度傳感器的量程為200 Ω～250 kΩ。當量程要求大于250 kΩ時，部分通道可通過切換繼電器K2，串入240 kΩ的固定阻值，而使量程達到200 Ω～490 kΩ。考慮到溫度和穩定度對板卡的影響，溫度傳感器卡輸出電阻的精度在50～100 Ω之間。

由于數字電位器在斷電時輸出較大阻值，對應溫度傳感器的溫度值較低，因此為了防止測試時意外斷電而造成溫控的溫控動作，對輸出電阻阻值使用雙刀雙擲的歐姆龍繼電器K1(G6K-2F)進行控制。斷電時，輸出電阻阻值R0為1.6 kΩ，在上拉7.5 kΩ的測溫電路中，以MF501型號溫度傳感器為參考，此時的溫度大于30 ℃，溫控不會發生動作。加電后，先設置數字電位器至初始溫度，然后再將RTH+和RTH-切至數字電位器端，接口框圖見圖4。

圖4 溫度傳感器板卡接口框圖

電子負載設備需要模擬32路溫度傳感器模擬信號。單塊板卡共20路大阻值電阻輸出，阻值的設置范圍是200 Ω～490 kΩ，板卡輸出通道路數和電阻指標均能滿足檢測設備的要求。

板卡對外提供2個J14A-74ZJ的接插件，對外的節點為72路電阻的A，B兩端，每路之間相互隔離，方便多臺設備的連接使用。

單塊板卡提供72個輸出通路，使用1塊板卡即可滿足要求的66路溫度傳感器模擬。

3.6 電磁閥、自鎖閥、火工品負載模擬

電磁閥和自鎖閥負載的模擬[9-10]使用真實負載和模擬負載相結合的方式實現，因電磁閥體積較大，若全部使用真實電磁閥進行模擬，體積龐大且成本過高難以實現，現使用電纜互換的形式實現各測試通路真實負載和模擬負載的切換。

電磁閥的真實負載由1路1 000 N電磁閥，2路150 N電磁閥，2路10 N電磁閥構成。自鎖閥的真實負載由1路高壓氣路自鎖閥，1路低壓氣路自鎖閥和2路液路自鎖閥構成。為防止電磁閥斷電時發生電壓倒灌，基于安全性設計添加消反峰電路。

50路電磁閥、36路自鎖閥、32路火工品[11]的模擬負載使用154路50 K電阻進行模擬。單塊板卡可實現100路電阻負載模擬，要滿足154路電阻負載模擬需2塊。

在進行電磁閥、自鎖閥、火工品負載模擬的同時還需采集電磁閥和自鎖閥的通電時間，采集火工品的供電電壓及通電時間。電磁閥和自鎖閥通電時間的采集使用通用指令檢測卡實現，火工品的供電電壓及通電時間采集使用離散指令檢測卡實現。

通用指令檢測卡可實現66.7納秒-217天寬度范圍的準確采集。

離散指令檢測卡可實現3～30 V電壓和1 ms～16 s寬度范圍的準確采集。

3.7 地線設計

出于安全性考慮，地面設備內部電源的地線[12-13]與220 V市電/機殼絕緣處理，隔離電阻不小于5 MΩ，設備的供電插座采用帶地線的三線插座，機殼與電源插座的中線相連。測試設備與飛行器上設備連接的信號地經過了二級隔離處理，機箱內部的CPCI電源將一次電源AC220 V轉換成CPCI電源(+3.3 V，+5 V，+12 V，-12 V)。印制板上的DC/DC電源模塊將CPCI電源再次轉換成接口電路使用的電源。印制板間的接口電源地線相互隔離。地線連接如圖5所示。

圖5 地線連接圖

4 軟件設計

軟件運行在測試設備的CPU上，控制軟件采用VS2012軟件開發。軟件控制模擬量輸出接口和各種指令檢測。

所有的測試接口均具有動態鏈接庫(.dll文件)，軟件界面如圖6所示。

圖6 軟件界面

為方便板卡的調試和使用，針對不同的板卡提供了不同的測試軟件。根據界面的不同，測試軟件又分為非圖形化和圖形化兩種。

4.1 非圖形化測試軟件

非圖形化測試軟件用于簡單的板卡測試，包括模擬量采集、模擬量輸出、指令檢測和指令輸出，軟件具有小巧、簡單、穩定的特點，如圖7所示，包括板卡檢測、板卡選擇和功能選擇。

圖7 非圖形化測試軟件

板卡檢測可以將所有匹配的板卡以列表的形式顯示出來。板卡選擇是用戶選擇板卡進行測試的部分，用戶輸入板卡的ID即可對該板卡功能進行測試。功能選擇對不同板卡意義不同，如圖7顯示的是模擬量采集提供的功能，包括讀取單路電壓和多路電壓，用戶輸入主菜單對應功能的編號按照提示進行操作即可。

4.2 圖形化測試軟件

圖形化測試軟件作為非圖形化測試軟件的補充，具有直觀、多功能、對環境依賴度高的特點，包括模擬量輸出采集調試助手和指令輸出檢測調試助手。

4.2.1 模擬量輸出采集助手

模擬量輸出采集助手界面如圖8所示。

圖8 模擬量輸出采集助手

該調試助手包括板卡配置、配置輸出數據、使能模擬量輸出、模擬量采集值顯示和比對。

板卡配置用于選擇AD和DA板卡，具有自動檢測功能，會將當前工控機存在的匹配板卡以下拉列表的形式進行顯示，顯示順序與板卡在工控機插槽的順序相同。對于同類型板卡(相同板卡ID)根據選擇索引值不同可以進行區分。板卡連接成功后，指示燈顏色由紅變綠。

配置輸出數據用于配置模擬量輸出數據，軟件啟動后會隨機生成72個在默認上下限范圍的浮點數，用戶也可以重新設置上下限范圍，并選擇隨機生成、固定生成、遞增生成或遞減生成，其中固定生成是以下限值為固定值。用戶也可以選擇文件導入的方式導入數據，文件中的數據需以空格、逗號或制表符分隔。

使能模擬量輸出用于輸出指定通道的配置數據，在未連接模擬量輸出板卡時，該模塊為灰色不可用。用戶選擇某通道進行輸出后會彈出對話框來確認輸出，確認輸出后在模擬量采集表的對應通道的設定值一欄會更新為該輸出數據，該數據用于后續的誤差比較。用戶也可以選擇全部通道進行輸出。

4.2.2 指令輸出檢測助手

指令輸出檢測助手界面如圖9所示。

圖9 指令輸出檢測助手

該調試助手包括板卡配置、配置輸出數據、輸出類型、使能指令輸出和指令檢測表。

板卡配置用于連接指令輸出板和指令檢測。軟件具有自動檢測功能，會將當前工控機存在的匹配板卡以下拉列表的形式進行顯示，顯示順序與板卡在工控機插槽的順序相同。對于同類型板卡(相同板卡ID)根據選擇索引值不同可以進行區分。板卡連接成功后，指示燈顏色由紅變綠。

配置輸出數據用于配置指令輸出數據，軟件啟動后會隨機生成72個在默認上下限范圍的指定類型指令數據(默認為脈沖指令)，用戶也可以重新設置上下限范圍，并選擇隨機生成、固定生成、遞增生成或遞減生成，其中固定生成是以下限值為固定值。如果選擇直流開關，每通道只有高、低電平兩種選擇，該指令類型只有隨機生成和固定生成兩種。用戶也可以選擇文件導入的方式導入數據，文件中的數據需以空格、逗號或制表符分隔。用戶選擇脈沖指令和直流開關配置數據不相同，如圖10所示為脈沖指令和直流開關的配置數據，直流開關不支持文件導入、遞增生成和遞減生成。

圖10 脈沖指令和直流開關的配置數據

輸出類型用于設定輸出類型，包括脈沖指令和直流開關兩種，目前只支持單一指令輸出。

使能指令輸出用于輸出單通道或全部通道指令，只有在連接指令輸出板卡成功后，輸出選項才可用。在輸出指令時，會提示用戶確認輸出。遞增輸出用于輸出所有通道配置指令，間隔時間為相鄰通道輸出間隔的時間。

指令檢測表用于實時顯示當前的直流狀態和脈沖信息，每通道包括3列數據，分別為直流狀態、脈寬ms和脈沖計數。直流狀態不斷查詢當前通道的直流狀態并顯示，脈寬用于實時檢測當前通道脈沖信息，脈沖計數用于記錄當前通道檢測到的脈沖指令計數。

5 可靠性設計

5.1 EMC設計

EMC設計[14-15]的目的是降低本設備干擾，提高自身的抗干擾能力，使設備具有良好的電磁兼容性。

PCB設計為多層板，電源、地、信號分層布線。良好的地線層不會產生共模耦合，也不會經地線形成環流產生電磁效應。加強元器件的布局，使信號線走線盡量短，增強設備電磁兼容性。

負載模擬器采用的是金屬外殼的機箱，金屬外殼是各種頻率下的良好電屏蔽材料，對電磁波有較大的吸收損耗。每塊板卡的面板上安裝有屏蔽條，使得板卡之間銜接緊密，無縫隙，可以防止干擾外泄和外界干擾的進入，對電磁波有較大的反射損耗。

5.2 抗力學設計

電子負載模擬器采用CPCI標準機箱，CPCI機箱采用高可靠的歐規板卡結構，每塊板卡底部采用2 mm密度的針孔連接器，板卡面板兩端使用螺絲將面板緊固在機箱上，板卡面板間銜接緊密，具有堅固的構架和良好的抗振動性能。

電磁閥箱內的電磁閥使用螺釘、螺母安裝在底板上，加彈墊和平墊進行緊固防松，并在螺釘螺母處采用硅橡膠GD414進行點封處理；箱內線束走線規范，并進行固定捆扎處理；對外連接器使用螺釘螺母進行緊固，機箱內部、外部使用的螺釘螺母均涂硅橡膠GD414防止松動。

5.3 降額設計

元器件是產品的基本組成單元，它們是系統可靠性的基礎。保證元器件的正確選擇和使用是產品可靠性工作中的最重要的工作項目之一。為確保產品的高質量和高可靠性，研制中對元器件進行了嚴格的選擇和控制，嚴格按照GJB/Z35-93《元器件降額準則》對產品使用的導線、接插件等重要元器件執行II級降額。

5.4 熱設計

熱設計直接關系到電子負載模擬器的長壽命和高可靠性能，CPCI測試驗證設備散熱系統以風冷和對流為主。電子負載模擬器散熱系統包含4個散熱風扇，IPMI/I2C控制調速(可調0、50%、75%、100%四檔)，根據散熱需求，可通過撥碼開關調節轉速。風扇組支持熱插拔。

5.5 防靜電設計

為了減少或消除靜電放電對設備的影響，電子負載模擬器在設計時對此進行了充分的考慮并采取相應的防護措施，具體措施如下：

1)機殼地接地良好；

2)產品進行生產、調試、試驗的過程中，操作人員正確使用防靜電設施，戴防靜電腕帶，穿著防靜電服和防靜電鞋，并且防靜電腕帶與人體良好相接；

3)產品操作人員的工作臺有ESD防護工作臺面，工作臺面通過接地電纜接地，接地電纜中的電阻器安裝在與工作臺的連接點上或其附近。

經過以上分析，電子負載模擬器的設計符合有關防靜電規定，采用的防靜電設計和措施能夠滿足要求。

6 安全性設計

電子負載模擬器的安全性設計嚴格按照GJB900-90《系統安全性通用大綱》和QJ2236A-99《航天產品安全性保證要求》進行，產品的安全性是指產品不發生事故的能力，因此針對性地采取了一定的安全性措施。首先，電子負載模擬器設備的內部用電電壓較低，不會給操作人員造成危險。其次，對產品機械外殼上較為尖銳的棱角采取了倒圓措施，能夠有效保護使用人員安全。

7 可維修性設計

可維修性設計在地面測試設備的設計中是非常重要的。進行可維修性設計時應考慮中繼級維修，要求簡化產品及維修操作，電路中留有必要的檢查點并使其易于接近并有合適的標記，應考慮易于調試和校準并易于隔離和尋找故障，并形成中繼級維修保養手冊，這對提高設備的利用率是非常有效的。電子負載模擬器具備較好的可維修性，能夠方便和快捷地查找和排除故障，為此采取了以下措施：

1)PCB板均采用插拔式結構，方便更換；

2)系統電源為插拔結構，方便拆卸；

3)系統風扇為插拔結構，方便拆卸。

8 試驗數據分析

電子負載模擬器配合某型號飛行器電氣系統模飛測試，測試過程準確無誤，并產生大量測試數據。

對于電磁閥模塊，其開關狀態由飛行器控制系統按照控制制導算法實時控制，單次模飛測試并未覆蓋50路電磁閥全部動作，故隨機抽取了10次模飛測試數據，50路電磁閥動作可以全部覆蓋。對于36路自鎖閥和32路火工品模塊，單次模飛均能夠全部覆蓋。對于28路壓力傳感器和66路溫度傳感器的信號模擬，是通過地面人為設置工作量程范圍內的隨機數產生，所以單次模飛必然全覆蓋。故抽取10次模飛測試數據可以覆蓋電子負載模擬器所有功能指標的統計需求。

50路電磁閥模塊共動作439次，通過單次動作時長實測值與控制系統發送的指令動作時長比對，統計動作時長的測量精度平均值，如表1所示。

表1 電子負載模擬器參與飛行器模飛測試數據統計結果

36路自鎖閥模塊共動作391次，通過單次動作時長實測值與飛行器發送的指令動作時長比對，統計動作時長的測量精度平均值，如表1所示。

32路火工品模塊共模擬引爆320次，通過單次通電時長實測值與飛行器端28 V火工品母線筆錄儀監測通電時長比對，統計通電時長的測量精度平均值，見表1所示。通過單次通電電壓實測值與飛行器端28 V火工品母線筆錄儀監測通電電壓比對，統計通電電壓的測量精度平均值，如表1所示。

28路壓力傳感器和66路溫度傳感器以支持飛行器通路測試為主要目的，并未參與飛行器閉環控制，所以單次模飛測試中采用隨機產生工作量程范圍內的隨機數且該次模飛測試過程中維持不變的方式進行。故28路壓力傳感器共計產生可采集點數280個，66路溫度傳感器共計產生可采集點數660個，通過地面人為設置值與飛行器實際采集值比對，統計壓力值和溫度值的模擬精度平均值，如表1所示。

統計數據結果顯示電子負載模擬器功能及指標滿足設計要求。

9 結束語

電子負載模擬器實現了航天器電氣系統的壓力傳感器、電磁閥、自鎖閥、溫度傳感器、火工品等負載的信號特性模擬、相關信號采集以及負載集成，通過上位機測試軟件的簡單操作可以非常便捷的參與航天器開展各項大型試驗和測試工作，顯著提高了航天器大型試驗的效率，有效規避了人員頻繁操作帶來的出錯風險，保證了有動作壽命限制的部件能夠長期參與測試工作。