一种高可靠航天器火工品等效器的设计与实现

， ， ，宇峰，，

(1.上海宇航系统工程研究所，上海 201109； 2.上海航天控制技术研究所，上海 201109)

一种高可靠航天器火工品等效器的设计与实现

夏小东1，康岭1，陈巍2，陈宇峰2，沈宗月1，吴建桔1

(1.上海宇航系统工程研究所，上海201109； 2.上海航天控制技术研究所，上海201109)

目前航天器电传爆火工品采用脉宽信号起爆，一般多个点同时起爆，路数较多且脉宽窄；针对航天器地面模飞测试时，精确监测各个火工品起爆次数和起爆指令脉宽问题，提出了一种火工品等效器的设计方案，它由PXI工控机、通用板卡和专用板卡,以及备份数据浏览终端等4部分组成，具有可靠性高、通用性强、维修性好等特点，已在YZ-3上面级中得到应用，对整器自动化测试和发射起到了有力的支持作用。

航天器；火工品等效器；主备冗余；PXI总线

0 引言

在航天器发射任务过程中，器箭分离、级间分离、太阳电池翼展开、天线展开等关键动作，多采用电传爆火工装置来实现[1]。因此，火工品供电电路和控制电路的可靠性状态尤为重要，在测试的各个环节需对其进行有效检测。考虑到航天器火工品的高危险性和高成本，通常在地面测试中不使用真实的航天器火工品。火工品等效器的概念正是在这种背景下提出的，它模拟火工品的工作机理与性能参数，与火工品供电控制电路相连,并对其进行测试[2]。这种方式不仅实现了对火工品的控制电路和供电电路的检测，同时也解决了测试中经济耗费较大的弊端。目前，大多数火上品等效器仅能够测试供电通路是否正常，不能实现对时序指令(脉冲时序)的精确测试。

基于此，本文提出了一种基于PXI工控机架构火工品等效器方案，实现了器上火上品供电通路以及时序指令的多参数一体化测试，提升了系统联合测试的水平，同时也保证测试的可靠性及智能化程度。

1 总体设计

火工品等效器需要具有极高的可靠性，在设计过程中系统采用了基于PXI 技术的硬件平台。该火工品等效器主要实现96路火工品起爆脉冲时序信号的检测、处理、存储和显示，并可通过以太网将数据传递到远程终端进行实时显示。系统由标准商用工控计算机和PXI总线背板、零槽控制器、信号采集与处理模块和数据备份模块，以及电源模块等组成，如图1所示。

图1 火工品等效器的组成原理框图

火工品等效器系统的工作原理为：待测火工品起爆信号由6个信号采集与处理模块进行采集、处理和存储，通过PXI的数据通信背板把采集的数据传输给零槽控制器。其中，每个信号采集与处理模块设计有16个信号检测通道。零槽控制器安装Windows XP操作系统，通过PXI总线接收数据处理模块的各项数据，并建立数据库实时存储和显示。零槽控制器还可通过以太网口与远程监控终端进行交互。另外，为了防止因零槽控制器故障或者上位机软件故障导致系统不能正常使用，数据备份模块可以通过总线背板实时读取6个信号采集与处理模块存储器数据，然后将这些数据打包并通过RS-232接口转换为USB数据传递给备份数据浏览终端进行显示，从而实现了火工品等效器系统的冗余架构设计，满足高可靠性的使用需求。

2 系统硬件设计

2.1 硬件平台集成

PXI总线控制器通过PXI总线对各PXI功能模块进行控制和交换，考虑到能够满足测试速度和数据库管理的需求，选用凌华公司的PXI-3950型零槽控制器，它配置英特尔T7500 Core2 Duo 2.2 GHz双核处理器，4G 667 MHz DDR2内存，内置120 G 硬盘，提供7个PXI外设槽位，还配有2个千兆网卡、2个RS-232和4个USB；也可外接显示器、鼠标、键盘等。电源模块采用双电源热冗余供电，保证整个等效器系统供电的安全性和可靠性。

2.2 信号采集与处理模块的设计

信号采集与处理模块设计有16个信号检测通道，采用子母板架构，子板主要实现信号处理，母板为主和备FPGA与PCI9054组成的总线协议板，如图2所示。每个信号通道经滤波电路滤除低电压干扰后，再通过电平转换并经光耦电路隔离，送入子母板的板间接口。母板的FPGA芯片同时监测这16信号，并在收到上升沿和下降沿时，对相对时间进行计时，能够对1 us以下的信号变换进行响应。然后对瞬时干扰信号进行滤波处理，将有效数据进行放入缓存。从而，实现每个信号通道可检测电压幅值为10～32 V，脉冲宽度大于500 μs的脉冲信号。

由于电气负载的原因，PXI总线上连接过多的电气负载或设备将不能正常工作。在不扩充总线的情况下，标准PCI总线的驱动能力是驱动4个PCI插槽, 而Compact PCI控制器模块要求允许驱动7个仪器模块，因此需要在ETX 的PCI总线和CPCI机箱底板的PCI总线之间引入PCI- PCI 桥接设备。由于采用可编程逻辑器件实现PCI总线需要繁复的逻辑验证和时序分析工作，综合考虑设计需求和系统优化，选择PLX 公司的PCI-PCI 桥接芯片PCI9054设计 PCI 接口。PCI9054负责与零槽的数据交换，当收到数据采集开始命令后，各信号采集与处理模块开始采集信号，将脉冲信号到达的时刻，脉冲宽度，保存至FPGA的内存中，由零槽和实时数据备份模块实时读取。

机箱电源经隔离DC-DC变换器后，给母板和信号处理电路供电，实现信号处理电路的“地”实现与机箱“电源地”进行隔离，防止电源干扰FPGA的正常工作。

图2 信号采集与处理模块原理框图

2.3 数据备份模块的设计

数据备份模块主要有电平转换电路、FPGA主芯片、PCI协议芯片和RS-232通信接口隔离转换电路等组成，原理框图如图3所示。各信号采集与处理模块的信号数据通过PXI总线背板传至数据备份模块上，经电平转换电路后，由FPGA采集处理和存储。RS-232接口采用ADI公司的ADM2483BRW芯片，将FPGA的CMOS电平进行转换，同时该芯片可实现磁耦隔离功能，确保内部模块的“地”与外部远程通讯设备“地”的隔离。

数据备份模块另外一个重要功能是实现6个信号采集与处理模块的同步触发。具体工作原理为：由PCI9054负责与零槽的数据交换，当模块收到数据采集开始命令后，PXI协议发出同步触发信号，各信号采集与处理模块接收到触发信号后，主份和备份检测通道同时开始进行采样和数据处理，将脉冲信号到达的时刻，脉冲宽度，保存至FPGA的内存中，由零槽实时读取。数据备份模块同时也受该触发信号控制，开启实时接收6块信号采集模块FPGA从芯片处理的信号，并按照逻辑协议把数据按照RS-232协议进行数据打包。之后数据备份模块不再受零槽控制器控制，当零槽控制器由于某种原因不能正常工作时，可外接的笔记本等浏览终端，通过RS-232总线与数据备份模块进行数据交互，读出相应的数据。由于数据备份模块属于掉电不保存，只要PXI机箱不被断电，其内部的数据一直记录在缓存中，RS-232串口随时可以插拔均不会影响数据的读取。

图3 数据备份模块原理框图

3 系统软件设计

软件的设计是实现火工品等效器所有测试和控制功能的重要保证，同时也是提高自动测试性能的载体，结合火工品等效器系统的功能要求，选择Labview设计软件系统[3]。火工品等效器软件包含主份监控软件和备份浏览终端软件两部分。依据程序模块化的设计思想，兼顾程序的可靠性、可移植性以及执行效率，将主份监控软件和备份浏览终端软件的公用子程序模块进行提取合并，从而整个系统共有12个程序模块组成，其体系结构如图4所示。

年年夏天，当我在城里享受空调的清凉时，婆婆却在乡下，顶着烈日放羊割草。然后，在我们回老家过年的时候，用一桌鲜美的羊肉招待我们。

图4 火工品等效器软件结构图

PXI总线数据解析模块、PXI总线数据存储模块和数据显示模块为公用子程序模块。PXI总线数据解析模块和PXI总线数据存储模块主要实现对各个数据采集与处理模块和数据备份模块的PXI总线数据进行解析和存储。采集通道配置模块可以调用外部EXCEL配置表，实现信号通道的名称灵活配置。同时可对初始化配置进行自检测，以保证各个模块能正常工作。当自检测发现故障时，在屏幕上给出初始化失败提示，需重启程序。数据显示模块可将存储的数据信息以表格的形式显示在显示器上，软件显示界面如图5所示。备份浏览终端采用生产者消费者主从循环结构，调用这4个公用子程序模块，结合USB数据解析模块就可以实现在备份浏览终端上实时读取数据备份模块数据。

主份监控软件采用多线程编程和子面板技术，除了调用上述4个公用子程序模块外，还需调用7个其他子程序模块。各功能板采集模块和各功能版参数配置模块，主要用于数据备份模块和各个信号采集与处理模块的硬件配置和识别。调试登录模块主要用于程序管理员调试，以及对主份监控软件作为远程终端时的IP地址进行设置，以便于与局域网设备进行通信。网络通讯数据打包模块、网络通讯数据发送模块，主要实现将本地测试数据通过以太网发送到远程服务器。网络通讯命令接收模块和网络通讯命令解析模块主要实现接收并解析远程控制指令，实现程序复位、系统校时和开始采集等操作。

图5 火工品等效器软件界面

4 关键技术与系统试验

本文设计了基于PXI 技术的航天器火工品等效器方案，实现了基于PXI 技术的硬件平台，利用Labview在Windows 系统下编制了系统软件。基于Windows 操作系统，采用多线程机制，设计了实时采集、处理、显示和远程通信等软件，实现了PXI 平台下航天器火工品等效器系统的完整功能。对于设计和实现过程中的关键问题，下文给出了解决方案，并通过系统联合试验，获取了大量的试验数据，满足航天器研制测试过程中的各项功能和性能要求。

4.1 关键技术

4.1.1 信号调理与多通道同步采集

由于正常火工品起爆信号的脉宽一般需要大于10 ms，为保证既能准确检测正常起爆控制信号脉宽，还能消除不需要的干扰信号，因此采用了硬件滤波和软件处理的信号处理方法。硬件滤波是在每个采集通道均加入隔离二极管和多级RC滤波电路等，达到消除毛刺的目的。软件处理是在FPGA程序中设置脉冲采样时钟，通过添加延时的方法实现“数字滤波”，达到滤除毛刺的目的。对于多路火工品起爆信号的同步采集，采用边沿触发记录代替定时高频采集，同时利用FPGA的并行处理功能，同步记录各通道脉冲到达时刻，从而降低了存储的数据量。

4.1.2 功能板卡缓存设计

为了优化高速数据采集和显示延迟问题，以及避免冗余架构系统数据丢失，采用同步记录和存储的方法。各个信号采集与处理模块均设置缓存空间，并使之满足采集数据写满缓存的时间不大于缓存数据(DMA)传输时间与后续数据处理时间之和。通过此方法避免内存中前一次传输的数据尚未处理完毕，下一次的采集的数据已经传送到，造成实时采集数据的丢失。

4.1.3 可靠性设计

航天器任务的测试环境要求系统具有较高的可靠性，在设计过程中火工品等效器系统采用了基于PXI 技术的硬件平台。PXI 技术结合了PCI 总线电气特性与Compact PCI 的坚固性、模块化和Eurocard 机械封装的特性，使之适应复杂测试环境的高可靠应用。

同时，该火工品等效器还采用主、备热冗余的架构设计。即，同一被检测火工品起爆信号进入火工品等效器后，一路进入主份FPGA芯片，经零槽控制器读取并显示；另一路进入备份FPGA芯片，并经数据备份模块通过RS-232总线传送到备份数据浏览终端显示，从而保证系统的高可靠性工作。

4.1.4 多线程技术

为了实现瞬时多通道连续多次火工品起爆信号的采集、处理和实时显示，主份监控软件采用Labview在Windows操作系统上，使用“生产者/消费者”主从循环结构来实现多线程编程[4]。生产者为采集数据程序，消费者为处理数据程序，在生产者与消费者之间设置一个大小固定的数据缓存区，当生产过剩时，缓存区空间将被写满，此时必须停止生产，直到缓存区出现空余空间。以此类推，当消费者的能力大于生产者的能力时，缓存区的数据逐渐减少，直到耗尽，此时，消费者需处于等待状态[5-6]。本系统设置火工品信号采集线程作为生产者，而信号存储和显示线程作为消费者，解决了数据存储和显示的时间延迟导致采集数据丢失的问题。

4.2 系统实验

为了试验该火工品等效器的功能和性能，在上面级整器综合测试过程中，进行了火工品控制专项测试和模飞流程行测试等试验。

火工品控制专项测试主要测试火工品起爆通道对应控制情况和各路信号脉宽。通过器上控制器向火工品等效器的96个信号检测通道依次发送80 ms脉宽信号，采用高精度示波器分别对各通道信号进行采集测试，并将所获得的脉宽数据作为相对真值。然后将火工品等效器测试获得的脉宽数据与相对真值进行比对。试验数据表明，96个通道均一一对应，各个通道脉宽精度误差均不大于1 ms，满足火工品等效器精度要求。

模飞流程行测试是控制器根据飞行器的飞行时序依次发出各次起爆控制信号，每次起爆信号为80 ms脉宽指令，间隔100 ms连续发3次，可同时起爆8个通道。表1给出了12次火工品起爆控制的测试结果，表明各个通道均首道3次脉宽指令，且指令脉宽都满足80±10 ms的精度要求。

5 结束语

本文基于PXI 工控机硬件架构，采用自研的数据采集与处理模块、数据备份模块等功能板卡，构建了高可靠的火工品等效器系统平台，实现了96路火工品起爆信号的主备冗余采集和存储。基于Windows 操作系统，采用多线程机制，设计了实时数据显示软件，实现了PXI平台下火工品起爆信号采集系统的完整功能。该火工品等效器采用PXI 技术实现系统硬件平台，精简了整个系统，减小了系统的体积和重量，设备具有配置灵活、扩展方便、可靠性高等特点，已成功应用于YZ-3上面级型号研制测试，并取得了较好的效果。

表1 模飞流程时火工品起爆控测试数据

[1] 顾炳永,李玉洁.飞航导弹弹上火工品测试方案及实现方法研究[J].飞航导弹,2005(7);49-51.

[2] 刘晓燕,彭勤素.箭上火工品自动测试方案及实现方法[J].弹箭与制导学报，2009,29(5);232-234.

[3] 黄豪彩,杨灿军，陈道华，等.基于LabVIEW的深海气密采水器测控系统[J].仪器仪表学报，2011,32(1); 40-44.

[4] 孙 宁,刘洁瑜,钱培贤.多线程技术在加速度计数据采集中的实现[J] . 国外电子测量技术, 2006, 25 (5) :37-42.

[5] 雷晏瑶,李 智．基于生产者/消费者的数据采集系统设计[J]．机械，2011，38(9):39-43.

[6] 张秀娟．生产者-消费者采集建模与行为分析方法研究[J]．微电子学与计算机，2004，21(5)：97-100．

DesignandRealizationofaHighReliabilityEquivalentEquipmentforInitiatingExplosiveofSpacecrafts

Xia Xiaodong1，Kang Ling1， Chen Wei2， Chen Yufeng2， Shen Zongyue1， Wu Jianju1

(1.Shanghai Aerospace System Engineering Institute, Shanghai 201109,China；2.Shanghai Aerospace Control technology Institute , Shanghai 201109,China)

At present, the spacecraft's electric initiating explosive devices are detonated by the pulse-width signal, and generally multiple points are detonated at the same time. As a result, the number of channels is high and the width of the transient signals is very narrow. To solve the problem of accurately detecting the times and width of the sequence instructions for each of the electro-explosive channels, an equivalent equipment is designed and realized. It consists of industry control computer based on PXI bus architecture, general interface boards, appropriative boards and the backup data browsing terminal, which has the advantages of high reliability, general compatibility, and good maintainability. It has been applied in the YZ-3 upper stage task, which strongly supports automation of aerospace vehicle testing and launching in the state of the whole spacecraft.

spacecraft; equivalent equipment for initiating explosive; advocate for dual redundancy; PXI bus

2017-04-19；

2017-05-15。

夏小东(1985-)，男，四川达州人，硕士研究生，工程师，主要从事空间飞行器电气系统设计方向的研究。

1671-4598(2017)11-0159-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.040

TP302

A