基于PXI技术的运载火箭控制系统外系统等效装置的设计

邓 健，漆光平，王永利，周 欢，丁芳颐

（北京航天自动控制研究所，北京，100854）

基于PXI技术的运载火箭控制系统外系统等效装置的设计

邓 健，漆光平，王永利，周 欢，丁芳颐

（北京航天自动控制研究所，北京，100854）

运载火箭控制系统与外系统的接口功能的检验是控制系统设备交付使用前的必要条件。提出了一种基于PXI技术的控制系统外系统等效装置设计方案，该等效装置将控制系统的信号通过相应的调理板电路转换成PXI板卡可以识别的信号，上位机软件按照一定的算法将信号还原成控制系统的输出信号，实现数据的存储与显示。试验结果表明，该等效装置可靠性高且性能稳定，已成功应用于航天测试系统。

运载火箭；控制系统；等效装置；PXI技术

0 引 言

控制系统是运载火箭的重要组成部分，自动化测试程度高、测试项目全面、覆盖面宽。但控制系统与其他系统接口的测试项目在综合测试中大部分依靠手动测试，测试项目不够全面（如人工使用通用信号源加激励、在产品不加电的情况下进行遥测电阻测量等），具有测试状态复杂、工作量大、耗费大量的人力且容易出错，测试覆盖性低等特点。目前，运载火箭电气系统（包括测量系统和控制系统）的地面电气系统已有等效箭上电气系统的等效装置，能够较好地实现自动化测试。中国卫星在研制过程中也有了卫星供配电等效装置。但运载火箭的控制系统还没有外系统等效装置可以实现外系统接口的自动化测试[1～4]。

PXI（PCI Extensions for Instrumentation）技术是PCI（Peripheral Component Interconnect）总线在仪器领域的扩展，是一种基于PC技术的面向测试测量和自动化应用的坚固平台，与CPCI总线兼容，并拥有PCI总线的一切优点，同时还具备体积小、可靠性高、支持厂家众多等优点。随着计算机技术和总线技术的发展，PXI总线已成为应用较为最广泛的测控总线之一[5,6]。本文提出了基于PXI技术的外系统等效装置，不但可以对控制系统与外系统的接口进行全面测试，还具有可靠性高、状态简单、节省人力等特点。特别是在目前中国航天领域高密度发射的大背景下，对火箭系统的快速、可靠研制有着十分重要的现实意义。

外系统等效装置系统原理如图1所示。由图1可见，控制系统的信号先进入外系统等效装置的信号调理模块，经过信号调理模块的调理板转换成模拟板卡和数字板卡可以识别的信号，PXI采集模块采集到信号并实现相应数据处理、数据和波形的显示等功能。

图1 外系统等效装置系统原理

1 系统硬件设计

1.1 PXI采集模块的设计

PXI采集模块是外系统等效装置的核心部分，选用NI公司PXI-1031板卡作为控制单元，PXI-1031作为采集控制器专为PXI机箱设计，选用基于PXI-1031控制器的3U机箱，控制器PXI-1031能够接受3U PXI和Compact PCI模块。因此，选用PXI-1031控制器，就可以在机箱内根据需要扩展相应PXI板卡，应用于数据采集和测量。

对于采集控制系统的模拟信号，要求等效装置要有较高的采样深度和通道扫描速度，故选用NI公司的PXI-6255模拟板卡；PXI-6255具有80通道模拟AIO和24通道数字DIO，其中模拟通道的每通道独立采样率可达750 kS/s，采样深度可达16 bit。另外，扩展的16个数字通道可直接用于驱动光耦。

对于采集控制系统输出的数字量，要求等效装置要有较高的计时精度与实时性，且需要并行处理，因此选用NI公司的FPGA板卡PXI-7813R；PXI-7813R具有160通道数字DIO，FPGA板卡时钟为40 MHz，相当于每25 ns进行1次处理，且所有通道可并发执行，满足实时性要求。

1.2 信号调理模块设计

信号调理模块的设计根据信号性质的不同对应不同的调理电路。本文对其直流电压信号、带电数字信号、数字量通讯信号、惯性测量组合（以下简称惯组）运行信号的调理电路进行设计。

1.2.1 模拟信号调理电路

模拟信号调理电路如图2所示。

图2 模拟信号调理电路

图2 中的电路由可调电阻、阻抗匹配、隔离放大和隔离电源部分组成，可用于直流电平信号、直流电压缓变信号的处理。直流电压信号先通过可调电阻部分的分压后，进入由运放OP07构成的阻抗匹配电路，最后经过ISO124芯片隔离放大、滤波后送给PXI-6255处理，DC-DC模块WRA2415KS-1W用于给ISO124前级产生1组±15 V的隔离电源，这样整个电路只需要1组±15 V电源给ISO124的后级供电即可，注意阻抗匹配电路和隔离放大电路的工作电压范围都在±10 V内，可调电阻分压后输出的电压必须保证在±10 V内。当信号电压已经在±10 V内，即便电位器移至最上端也会对输入信号造成1/2的分压，尽管16 bit采样深度的PXI6255板卡损失1 bit后仍有15 bit，满足采样深度不小于12 bit的要求，但对于小信号电压来说，信噪比太小，因此本方案给每路模拟信号预留了一组短路帽，当被测电压低于±10 V时，套上短路帽即可。1.2.2 带电数字信号调理电路

相似带电数字信号调理电路如图3所示。相似带电数字信号包括带电触点信号、脉冲信号、开关信号。由于这些信号都是方波信号，因此接口电路统一用光耦实现。通过遥测端限流电阻的阻值，保证光耦工作电流位于5～15 mA的范围内，并让接收门槛电压为输入信号最高电平的1/2。当输入信号为高电平时，驱动光耦导通，发光二极管使光敏三极管进入饱和区，光耦输出低电平；当输入信号为低电平时，光敏三极管工作于截止区，光耦输出高电平。

图3 相似带电数字信号调理电路

1.2.3 数字量通讯信号调理电路

图4为请求信号调理电路，其中遥测请求信号由测试平台发往控制系统，作为请求信号，控制系统认定信号下降沿有效，接口电路采用光耦形式，可采用模拟板卡上驱动能力较大的DIO实现遥测请求功能。

图4 请求信号调理电路

移位数码信号由控制系统发往测试平台，故调理电路应为光耦接收电路，此电路结构与相似带电数字信号调理电路结构基本一致。

1.2.4 惯组运行信号调理电路

惯组运行信号调理电路如图5所示，图5惯组运行信号的幅度为0～(5±0.5) V，频率不大于10 Hz，由于输入信号的高电平不足以直接驱动光耦，因此测试平台前级采用了滞回比较器设计方案，电路中的LM311比较器接成了滞回的形式，不但满足了系统对测试平台测试电流的要求，而且消除了信号纹波造成的灾难性输出抖动。

图5 惯组运行信号调理电路

2 系统软件设计

软件开发平台采用NI公司的LabVIEW2009软件，LabVIEW是一种基于C语言的图形化开发平台，主要用于实现数据的收集、预处理及分析，利用LabVIEW可以实现多种总线与仪器串口驱动程序的协调工作，利用清晰简洁的菜单图标替代以往复杂的语言编写，实现执行文件的独立运行[7,8]。

上位机软件主要有3个功能模块：

a）测试任务的管理模块，主要用于测试任务的添加、修改和删除。

b）测试任务配置，是指针对一类被测对象进行测试时，需要配置的全部信息，每一个测试任务，定义了在相应任务的测试的整个过程中软件控制各种仪器和模块，施加激励、测量响应的全部过程。

c）测试任务执行，主要包括任务的启动和停止。当系统启动后，板卡进行自检和初始化参数设置。在上位机软件选择相应的测试任务并且启动测试，模拟量采集和数字量采集程序同时打开并运行，当用户在人机界面点击“停止”时，系统所有程序停止运行，结束当前测试任务。

2.1 模拟信号采集程序设计

模拟量采集流程如图6所示。在程序设计中使用NI-DAQmx创建虚拟通道函数来创建1个模拟输入通道并对通道的输入端进行设置，创建输入最小值和最大值端口并配置模拟输入的接地参考。

用NI-DAQmx定时函数来规定采样时钟，同时创建时钟的采样模式输入端和每通道额定采样数输入端。NI-DAQmx开始任务函数来读取FIFO中的采样值，并通过写入测量函数将读到的采样值采用相应的算法对数据进行处理，处理后得到的数据以波形的形式显示，并且将数据存储到相应的文件中，当接收到系统外部的结束命令后，停止此次采集任务。

图6 模拟量采集流程

2.2 数字量采集程序设计

数字量采集流程如图7所示，在程序设计中使用NI-DAQmx创建一个数字输入通道。

图7 数字量采集流程

NI-DAQmx开始任务函数来运行此次采集任务。NI-DAQmx读取函数来读取FIFO中的采样值，根据系统配置决定是记录脉冲数还是实时显示读到的数字量数据，将读到的数据存储到相应的文件中，当接收到系统外部的结束命令之后，停止此次采集任务。

3 试验结果及分析

外系统等效装置对控制系统发来的信号进行采集、处理、存储，并以波形的方式显示，模拟量采集功能、脉冲数技术功能均通过了与某运载火箭控制系统的联合调试，测量到的控制系统的模拟量波形如图8所示。

图8 模拟量测量

脉冲数计数如表1所示，数字量数据见表2。

表1 脉冲数计数

表2 数字量数据

4 结束语

本文提出的基于PXI技术的外系统等效装置，可对控制系统与外系统的接口在控制系统交付使用前得到全面、有效的自动化测试，可以避免手动测试带来的状态复杂、测试效率低、容易出错、测试项目覆盖不全面等问题。由于项目采用了PXI技术，使得设备具有一定的通用性，可以通过增加调理板卡，和模拟、数字采集板卡的形式增加硬件通路，使其能够适应更多的运载火箭控制系统。

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[8] 林静, 林振宇, 等. LabVIEW虚拟仪器程序设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2010.

续图2

从图1中可知，位置分量的比对差值在5 m以内，与标称弹道基本吻合；从图2中可知，速度分量比对差的量值为厘米级。较之常规雷达测量数据定位结果，位置分量精度提高50%以上，速度分量精度提高1个数量级。

3 结 论

短基线干涉仪是航天发射场中重要的测控设备，承担各种型号的火箭跟踪测量任务，提供发射场安全控制系统所需的安全信息以及上升段航天器的外弹道参数信息，为保障发射安全和火箭的研制部门改进火箭性能发挥着重要作用。雷达测速、测元和短基线干涉仪测元数据的有效融合，实现了利用航区冗余的测速、测量数据完成高精度的外弹道数据处理。该方法的使用，为处理短基线干涉仪测量数据开拓了新的技术途径，也为后续的航天发射任务数据处理工作的完成提供技术支持。

参 考 文 献

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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

邓 健（1984-），男，工程师，主要研究方向为飞行器控制系统综合技术