基于PXI架構(gòu)的點火負載動態(tài)模擬系統(tǒng)設(shè)計

李歡麗，李 平，閆 騰，吳宇凡，荊 廣

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

在智能彈藥武器系統(tǒng)中，點火是實現(xiàn)發(fā)動機、熱電池、戰(zhàn)斗部等火工品激活的主要方式；同時，復雜電磁環(huán)境作用下智能彈藥武器系統(tǒng)的點火安全性十分重要。因此，對武器系統(tǒng)點火脈沖輸出的檢測是武器系統(tǒng)測試的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

常用的點火檢測采用“電阻+示波器”的方法，測試點火脈沖的電壓、寬度等參數(shù)，該方法一方面不能完全模擬點火具的真實特性，另一方面接線操作較為繁瑣，需要人工手動判斷，效率不高。文獻[5]提出了一種應用于智能彈藥的電點火具模擬器，通過模擬電路的設(shè)計方法實現(xiàn)了對點火負載暫態(tài)過程的初步模擬，使用便利性大大提高。

文中提出了一種基于PXI架構(gòu)的點火負載動態(tài)模擬系統(tǒng)，通過DSP、FPGA等數(shù)字電路處理，能夠靈活的設(shè)置點火負載特性參數(shù)，對點火具的負載特性模擬更加真實，并且基于Windows平臺開發(fā)操作軟件，靈活性較高，數(shù)據(jù)判斷可以自動化處理，大大提高了點火測試的效率，能滿足武器系統(tǒng)研發(fā)過程中的詳細測試和生產(chǎn)過程中的批量測試需求。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

點火負載動態(tài)模擬系統(tǒng)為便攜式工控機形態(tài)，主要由主控制器、點火負載模塊、供電模塊、PXI背板、機箱、對外接口、軟件等組成。

系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。通過對外接口連接被測點火信號，系統(tǒng)啟動后，持續(xù)采集點火信號，當電壓高于預設(shè)值后，系統(tǒng)以為觸發(fā)0點，根據(jù)設(shè)置的點火具熔斷時間開始計時，當達到后，系統(tǒng)控制點火負載開關(guān)斷開，模擬點火具熔斷瞬間過程，從而完成一次點火模擬。系統(tǒng)可以根據(jù)實際需求，靈活配置點火負載阻值、熔斷時序、重復測試等功能。

圖1 工作原理圖

2 硬件設(shè)計

點火負載動態(tài)模擬系統(tǒng)硬件包含PXI機箱(包含供電模塊)、7個點火測試模塊、1塊擴展板卡和基本輸入輸出設(shè)備(包含鼠標、鍵盤)。所有的板卡通過PXI總線實現(xiàn)信號交互，具備模塊化程度高、可擴展性強等特點，硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件架構(gòu)圖

2.1 主控模塊

采用NI的PXI架構(gòu)嵌入式控制器，基于Intel i7四核高性能處理器，具有強大的計算處理性能，滿足系統(tǒng)強實時的使用需求。

2.2 點火測試模塊

點火負載模塊為實現(xiàn)點火負載動態(tài)模擬的核心，主要由控制電路、采集電路、功率電路、開關(guān)電路等組成。

2.2.1 控制電路

為實現(xiàn)控制電路的實時性，采用FPGA為主控芯片，并通過EMIFA總線與主控制器通信，接受主控制器下發(fā)的控制命令，驅(qū)動采集電路實現(xiàn)對點火脈沖的實時采集，完成脈沖觸發(fā)，按照主控制器設(shè)置的熔斷時間開始計時，控制開關(guān)電路通斷，點火負載的熔斷模擬。同時，采用SDRAM作為AD采樣緩存，并將緩存的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行分析和顯示。

2.2.2 采集電路

采集電路采用ADI公司的AD7606高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)對點火脈沖的采樣。ADC工作在同步采樣模式下，采樣率設(shè)置為800 kB/s，16位精度，雙極性輸入，通過內(nèi)部自帶的輸入運放，具有5 MΩ的模擬輸入阻抗。點火脈沖信號經(jīng)過精密電阻分壓后，直接進入該ADC進行采樣，該ADC與FPGA之間采用SPI總線進行通信。

為確保系統(tǒng)工作的安全性，每一路點火通道采用隔離設(shè)計，因此ADC和FPGA之間的通信增加SILICON LABS公司的SI8640四通道數(shù)字隔離器，該隔離器隔離電壓高達5 000 V，數(shù)據(jù)速率最高可達150 MB/s，高共模瞬變抗擾度>15 kV/μs。FPGA信號和ADC信號分別按照對應的電壓等級分布在此隔離器的兩邊，能有效的起到隔離作用，使外部的干擾不會影響板卡內(nèi)部，也使每一路電路回路之間不會形成串擾。

2.2.3 功率電路

功率電路基于功率電阻進行設(shè)計，其功率電路如圖3所示。本系統(tǒng)共設(shè)計12路負載通道,每路功率電阻選擇包含5種規(guī)格電阻～，阻值分別為0.5 Ω，1 Ω，1.5 Ω，2 Ω，10 Ω。除功率電阻外，還設(shè)置導線直通的檔位，模擬短路情況下的0 Ω負載，采用IGBT控制和選通不同的電阻負載。

圖3 功率電路圖

功率電阻選用Viking公司的插件式金屬氧化皮膜電阻，型號MOF1765，功率3 W，最大工作電壓800 V，精度1%，溫度范圍-55～+235 ℃。

考慮導線電阻的影響，如圖3所示，負載接口航插兩引腳之間的阻值為功率電阻的阻值加上系統(tǒng)中導線電阻的阻值：=+(預估每路負載導線電阻阻值約為0.2 Ω)。

2.2.4 開關(guān)電路

開關(guān)電路實現(xiàn)對功率電路中不同電阻的選通控制功能，本系統(tǒng)采用型號為AFGHL75T65SQ-D的IGBT實現(xiàn)開關(guān)功能。為保護內(nèi)部FPGA電路不受外部干擾，使用自帶隔離的IGBT驅(qū)動器進行IGBT的驅(qū)動，F(xiàn)PGA的IO輸出信號接到IGBT驅(qū)動器，經(jīng)過驅(qū)動器隔離后，驅(qū)動器的輸出端接入IGBT的柵極，用于控制IGBT的通斷，從而實現(xiàn)功率電阻的接入與斷開。IGBT控制電壓+12 V由隔離電源模塊產(chǎn)生，驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動電路圖

2.3 供配電

系統(tǒng)采用AC 220 V進行供配電，市電進入機箱后接入ATX供電模塊，ATX供電模塊把交流電轉(zhuǎn)換成直流電給機箱PXI背板，機箱背板轉(zhuǎn)接至各個功能板卡模塊供電。點火負載模塊內(nèi)部采用DC/DC隔離電源，給各個點火負載通道供電。

3 軟件設(shè)計

軟件基于Windows + VS開發(fā)環(huán)境，由人機交互層、數(shù)據(jù)處理層、中間層、操作系統(tǒng)層、驅(qū)動層組成，其軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件架構(gòu)圖

其中驅(qū)動層是設(shè)備板卡驅(qū)動程序；中間層是基于驅(qū)動層對板卡進行數(shù)據(jù)的采集、設(shè)置、轉(zhuǎn)發(fā)，并提供了統(tǒng)一的API封裝接口；人機交互層，調(diào)用相應的中間件程序，實現(xiàn)設(shè)備板卡的初始化、通道配置、板卡設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送和停止以及實時顯示功能。

如圖6所示為軟件功能圖，包含初始化、通道設(shè)置、參數(shù)配置、采集數(shù)據(jù)、實時顯示、保存數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)回放、IO接口、RS-422接口等。

圖6 軟件功能圖

3.1 軟件工作流程

該系統(tǒng)的軟件工作流程如圖7所示。啟動系統(tǒng)后，通過發(fā)送自檢指令，完成板卡的初始化。完成板卡設(shè)置、通道選擇后，將存入的業(yè)務邏輯腳本導入，便進入開始采集過程。在采集過程中，一邊進行實時顯示,一邊保存數(shù)據(jù)，通過查看歷史數(shù)據(jù)，檢索數(shù)據(jù)，便可以顯示歷史數(shù)據(jù)。

圖7 軟件工作流程

3.2 人機交互界面設(shè)計

系統(tǒng)包含主界面、數(shù)據(jù)回放界面、用戶登錄界面、實時采集界面等。

板卡設(shè)置項，對板卡的通道，各路通道的點火負載電阻值、熔斷實踐等參數(shù)進行設(shè)置。通過Excel表格形式編輯流程，程序加載時自動加載業(yè)務邏輯。提供16路通道設(shè)置，包括各個通道附帶的參數(shù)設(shè)置。

主界面主要功能是完成子界面的導航，導航菜單包含實時采集以及歷史回放。

實時采集界面主要功能是實時的接收數(shù)據(jù)。通過API接口發(fā)送指令啟動采集后，開啟線程對接口返回的數(shù)據(jù)進行實時接收，一旦有數(shù)據(jù)到來，軟件會自動將接收來的數(shù)據(jù)通過內(nèi)部處理自動跳轉(zhuǎn)到相應的數(shù)據(jù)類型的顯示界面。

數(shù)據(jù)回放界面主要功能是直接從已篩選過的歷史數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)點導入到圖形繪制控件中進行數(shù)據(jù)點的圖形繪制。

4 測試驗證

采用可輸出真實點火脈沖的便攜式操控裝置，接入點火負載模擬系統(tǒng)，組成測試驗證系統(tǒng)。點火脈沖輸出脈寬為50 ms，輸出電流大于5 A；設(shè)置功率電阻為1 Ω，熔斷時間為10 ms，測試結(jié)果如圖8和圖9所示。其中，圖8為輸出點火脈寬測試結(jié)果，圖9為熔斷時間測試。

圖8 輸出點火脈寬測試圖

圖9 熔斷時間測試圖

由圖8可以看出，點火脈沖輸出脈寬為50 ms;由圖9可看出熔斷時間為10 ms，電流為7.8 A，與設(shè)計值一致。

5 結(jié)論

提出了一種點火負載動態(tài)模擬系統(tǒng)設(shè)計方法，基于PXI架構(gòu)，以上下位機模式實現(xiàn)了對點火負載特性參數(shù)的配置和試驗控制，能夠完成對點火具動態(tài)特性的模擬，并且具有可擴展性強，使用靈活等特點。測試驗證表明，點火負載動態(tài)模擬系統(tǒng)可依據(jù)點火負載、熔斷時間需求進行相應設(shè)置，從而模擬真實點火過程，在武器系統(tǒng)點火測試環(huán)節(jié)中具有一定的工程應用價值。