運載火箭地面測試設備多路脈沖校準裝置設計

馬雪松 ，姚靜波 ，樂 天 ，孫云鵬

（1.裝備學院 研究生院，北京101416；2.裝備學院 航天裝備系，北京101416；3.酒泉衛星發射中心，甘肅 酒泉732750）

隨著我國航天技術的發展，用于搭載小衛星的火箭機動式發射和導彈發射對于測試系統的快速反應能力提出了越來越高的要求，快速測試成為了航天試驗的一個新課題[1]。快速測試要求縮短射前測試周期，提高測試效率和測試數據的可靠性，降低故障發生率，這就對地面測試設備的維修保障、校準測試等工作提出了新的要求。

運載火箭發射前需要通過地面測試設備對其進行綜合測試，地面測試設備的準確性對于運載火箭發射任務起著重要作用。采用傳統的方法進行地面測試設備的校準已經無法滿足快速測試體系結構的需求。由于運載火箭結構復雜、箭上設備和儀器多，因此用于運載火箭地面測試任務的地面測試設備的測試項目也較多，配套的地面測試設備種類多、數量大，并且不同型號的運載火箭又對應不同配套的地面測試設備。傳統的校準測試方法存在校準儀器設備數量大、類型多、校準方法復雜、通用性差、可同時測試的通道數少、校準效率低、工作量大導致的人為誤差大、數據不可靠等缺點，這些因素增加了運載火箭的校準測試周期，對運載火箭測試任務的測試效率產生不利影響。因此，設計一種較準方法簡單、通道路數多、通用性好、性能穩定可靠的校準裝置，對快速測試體系結構具有重要意義。

1 設計框架和結構

1.1 框架設計

為滿足測試地面測試設備數字通道測試需求，檢定各數字通道以及各個通道數據采集的相互關系，本文以地面測試設備的數字時序為研究對象，設計校準裝置單板以10 ms為間隔排隊輸出周期性脈沖信號，采用該信號控制負載電路，結合外接電源輸出不同電壓等級的脈沖信號，可同時測試地面測試設備的多個數字通道以及各個通道之間的信號采集情況，同時信號幅值能滿足不同運載火箭配套地面測試設備電壓等級需求。

校準裝置采用PXI總線技術，通過可編程FPGA和硬件描述語言Verilog實現邏輯設計。64個I/O管腳輸出64路以10 ms為間隔排隊觸發周期性脈沖信號，經過集成驅動電路ULN2803放大，輸出接口采用100 pin的SCSI-100通用接口，集電極開路驅動負載負極，采用外接電源控制可實現輸出時序信號的幅值為10 V～40 V。

設計框圖如圖1所示，FPGA芯片采用Altera公司Cyclone III系列的EP3C10E144C8N芯片，低壓差電壓調節器采用LM1117系列芯片，可實現5 V電壓到1.2 V和2.5 V的電壓轉換。FPGA配置方式采用AS和JTAG同時配置的方式，EPROM采用Altera公司的EPCS4I8N芯片。FPGA輸出電流僅有4 mA，無法驅動負載電路，而八達林頓晶體管ULN2803具有8通道的驅動能力，可滿足驅動電路驅動放大需求[2]。

圖1 校準裝置設計框圖

1.2 FPGA功能模塊設計

FPGA選用Altera公司Cyclone系列的型號為EP3C-10E144C8N的芯片。通過Quartus 9.0軟件平臺完成FPGA內部邏輯設計，實現64路脈沖信號排隊輸出。狀態轉換圖如圖2所示。

采用狀態機設計方法，將整個時序邏輯劃分為S0～S4 5個狀態，RS為 RESET信號，低電平有效；T0～T4為 5個觸發信號，高電平觸發；CLK1為排隊計時信號，用于控制排隊間隔。64路信號存在如下狀態：各通道初始狀態S0；初始態到信號觸發的過渡狀態和全部通道輸出低電平狀態，過渡狀態和全部通道輸出低電平狀態各通道輸出信號一致，故可視為一個狀態S1；各通道排隊輸出高電平狀態S2；全部通道輸出高電平狀態S3；各通道排隊輸出低電平狀態S4。狀態邏輯關系表如表1所示。

圖2 狀態轉換圖

表1 狀態邏輯關系表

2 系統仿真實現及結果檢定

2.1 FPGA軟件仿真

FPGA的開發選用硬件描述語言Verilog，開發平臺選擇Quartus 9.0軟件，該軟件集成了Altera的FPGPA開發流程所涉及的所有工具和第三方軟件接口；仿真工具采用ModelSim，該軟件是業界最通用仿真器之一，具有功能強大、調試手段多、仿真精度高、速度快等特點[3-4]。

仿真時序圖如圖3、圖4所示，通過時序圖觀察可知，校準裝置核心器件FPGA實現了64路脈沖信號以10 ms間隔排隊輸出的功能。圖中CLK為8 MHz時鐘信號，周期為125 ps；CLK1是經分頻產生的周期為10 ms的脈沖信號，用于觸發各排隊通道，控制排隊間隔；RESET信號在t=1 s時變為低電平，FPGA執行復位操作，RESET持續 1 s后恢復高電平觸發脈沖信號開始發生；T1、T2、T3、T4是內部邏輯狀態觸發信號。由仿真圖可知，FPGA能按要求產生以10 ms為排隊間隔的周期脈沖信號，脈沖信號的周期為1 s。

2.2 硬件實現

由于用于航天測試的各類設備均要通過電磁兼容（EMC）認證測試，而采用傳統方法生產出樣品后進行認證測試，存在成本高、故障定位困難等問題。因此，研發初期將EMC方面的問題定位并解決，對提高產品質量、降低研發成本是十分必要的[5]。校準裝置結合EMC設計原則，從原理圖設計開始，對電源、時鐘外圍電路設計濾波器濾，PCB布線時，對電源線、地線、信號線的布線位置、寬度和間距以及過孔寬度和元件位置等進行調整[6-7]，結合其他設計準則進行PCB電路圖設計，得到的校準裝置具有較弱的電磁干擾和較強的電磁抗擾度。

圖3 仿真時序圖(一)

圖4 仿真時序圖(二)

2.3 結果檢定

校準裝置的時鐘晶振標稱頻率為8 MHz，頻率精度等級為5×10-8，屬于高精度時鐘源。采用通用精度等級較高的E312A通用計數器對校準裝置的各個通道輸出進行結果檢定，隨機選取6個通道進行測量，測得其輸出信號周期如表2所示。

表2 脈沖信號周期測量表 （s）

由上表可知，輸出脈沖信號的周期理論值為1 s，測得周期的最大絕對誤差為0.1×10-6s。由此可知，校準裝置可發出高精度的周期脈沖信號。采用雙通道控制門控雙穩的啟動和停止來進行測量的方法，一個通道用于啟動門控雙穩，另一個通道用于控制雙穩復原，啟動通道采用正斜率觸發，停止通道采用負斜率觸發，對校準裝置隨機選擇兩個通道進行測量，測得結果如表3所示。排隊間隔理論值為10 ms，測得最大絕對誤差為10-5s，由此可知，脈沖信號排隊時間間隔具有較高的精度。

表3 脈沖信號時間間隔 （ms）

通過軟件仿真和對輸出結果的檢定，得出脈沖校準裝置輸出信號的周期和排隊時間間隔具有精度高的特點，由通用接口總線可實現單板的64路信號輸出，輸出信號的幅值可通過外接電源控制，滿足地面測試設備不同電壓等級脈沖信號的測試需求。利用該裝置可實現不同型號運載火箭的不同類型地面測試設備校準需求，實現“即插即測”，具有測試速度快、測試方法簡單、通用性強的特點，增加了測試數據的可靠性，縮短了校準測試周期，對后續測試任務的順利進行以及構建快速測試體系結構具有重要意義。

[1]王華，蔡遠文，首俊明.航天 ATS快速測試體系結構研究[J].航天控制，2007，25（4）：72-76.

[2]Altera Corporation.Cyclone III device handbook[Z].2005.

[3]王誠，蔡海寧，吳繼華.Altera FPGA/CPLD設計[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[4]惠鵬飛，姚仲敏，夏穎，等.基于 FPGA的無線傳感網絡信道波形整形濾波器[J].電子技術應用，2013，39(7)：35-37.

[5]崔洋，彭吉，李佩玥，等.板級 EMC診斷測量與仿真分析方法[J].電子測量技術，2013，36（4）：101-105.

[6]莊信武，余志勇.GPS信號發射裝置上變頻器電磁兼容設計[J].微型機與應用，2009，27(20)：78-80.

[7]王建政，李云峰.基于PXI總線的運載火箭地面測試設備計量檢定系統設計[J].計量與測試技術，2013，40（7）：7-8.