分布式脉冲监测系统

作者/ 陈宇峰 薛征 陈杭 上海航天控制技术研究所(上海 201109)

摘要：针对火箭脉冲信号通道多、宽度窄、时序复杂、精度高等特点，本文设计了一套高精度分布式冗余脉冲监测系统。系统硬件采用CPCI结构脉冲调理板卡、脉冲采集板、冗余供电电源和脉冲信号显示灯组成。系统软件采用Labview平台开发，实时监测脉冲信号，显示脉冲宽度、脉冲次数、脉冲到达北京时间、脉冲到达相对时间，以表格的形式显示脉冲信息，以虚拟灯的形式显示脉冲时序并与系统硬件中的脉冲信号显示灯对应。系统试验完成后，通过回放文件中保存的脉冲到达时序和硬件板卡中存放的脉冲试验信息验证查看试验效果。

引言

运载火箭时序系统在火箭飞行过程中按预先确定的时序和时间接通或断开相应电路的时间控制指令串，指令串采用脉冲信号的形式发送到各个执行部件，控制火箭飞行。

高精度分布式脉冲监测系统实时监测运载火箭时序系统在地面试验过程中发出的脉冲信号，记录脉冲次数、到达时间、宽度和时序，并与试验要求时序进行数据比对，验证时序系统信号，监测火箭时序控制部件。

1 系统设计

系统组成框图如图1所示。监测系统由测试电缆、测试设备和测试软件三部分组成。测试电缆即能适用实验环境，也可适应发射场恶劣的工作环境，电缆外层采用绝缘橡胶保护。测试设备采用定制CPCI机箱，机箱中插入6块3U脉冲调理卡、1块脉冲采集卡、2块互为热备份的供电电源和1块面板LED信号灯。脉冲调理卡调理脉冲信号，点亮对应的面板显示灯，同时通过定制的CPCI背板传输到脉冲采集卡中;脉冲采集卡实时采集脉冲信号，存储到板卡设计的FLASH存储器中，可使用上位机软件事后导出，同时脉冲采集卡通过485串口与上位机软件进行应答式通讯，上传脉冲数据。面板LED信号灯采用面板贴膜的方式显示信号灯对应的物理含义，不同的物理含义可通过更换贴膜实现更改。测试软件采用Labview平台开发设计，软件采用配置文件配置试验标准信号时序，同时使用表格和虚拟灯的形式显示脉冲信号试验数据，虚拟灯与测试设备面板的信号灯一一对应。软件实时保存信号试验过程数据，并可在事后回放试验数据，与测试设备中存储的脉冲数据进行比对验证。

1.1 监测系统硬件设计

嵌入式测试设备采用4UCPCI架构，对每块印制板采用六点定位并带锁紧装置和助拔装置，方便调试和拆装。印制板采用标准3U高度设计，为标准CPCI板卡尺寸。板卡插槽用于插入脉冲信号调理板卡、脉冲采集板卡和电源供电模块。脉冲采集板卡与电源板卡隔槽安装，防止电源板卡干扰FPGA脉冲采集板卡正常工作。电源模块采用标准的250W RTX电源，该电源模块使用CPCI总线，有5V/33A、3.3V/33A、12V/6A和-12V/1.5A输出端口。根据电路中的功耗计算，此类电源符合设备的一类降额标准，并且对其冗余设计，即用两个相同的电源并联输出，即使一个电源发生故障，设备也不会停止工作，从而保证测试设备安全、可靠地工作。设备组成框图如图2所示。

每个嵌入式采集设备前面板上有LED信号显示灯和设备复位按钮，复位按钮可复位面板灯显示状态。插槽中有6块板卡，每块板卡可调理12路脉冲信号，高端一点双线，低端单点单线，共72路。设备通电后，上位机软件给各台嵌入式采集设备发送开始命令，测试设备开始监测箭上信号并开始计时。当箭上时序系统发出脉冲信号，嵌入式采集设备通过脉冲信号调理卡调理脉冲信号，然后把信号发送到嵌入式采集设备前面板，用LED灯显示，并保持灯亮至复位按钮按下，同时该信号被FPGA脉冲采集板卡实时采集调理信号，存储在FPGA脉冲采集板卡的FRAM中，当上位机软件发送数据提取命令，FPGA脉冲采集板卡上传脉冲信号数据给上位机软件。

脉冲调理板卡设计如图3所示。

脉宽Vin输入电压为25V～40V ，与Vref作比较，低于10V脉冲信号不响应，迟滞电压为1V，比较器输出经后端磁耦隔离和电平转换，送入FPGA采样脉冲采集板卡，脉宽宽度小于60μs，由FPGA脉冲采集板卡自动滤除。

　FPGA脉冲调理板卡设计如图4所示。

FPGA脉冲采集板卡实时采样信号调理板卡输出的脉冲信号，然后使用RS485串口向上位机(测控显示计算机)发送脉冲信号数据，板卡中使用FLASH模块存储测试数据，当设备意外断电后，数据不会消失，具有存储记忆功能。FLASH中实时存储脉冲时间、脉冲种类、脉冲次数、标识符等数据。板卡可接收上位机软件发送的“开始测试”、“停止测试”、“数据上传”、“复位”以及其他一些参数设备指令。当收到开始测试指令时，板卡开始计时，并对各个信号到达时间进行标记。当接收到复位指令时，板卡复位