基于PXI架構的點火負載動態模擬系統設計

李歡麗，李 平，閆 騰，吳宇凡，荊 廣

(西安現代控制技術研究所，西安 710065)

0 引言

在智能彈藥武器系統中，點火是實現發動機、熱電池、戰斗部等火工品激活的主要方式；同時，復雜電磁環境作用下智能彈藥武器系統的點火安全性十分重要。因此，對武器系統點火脈沖輸出的檢測是武器系統測試的關鍵環節之一。

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，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，通過模擬電路的設計方法實現了對點火負載暫態過程的初步模擬，使用便利性大大提高。

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

1 系統組成與工作原理

點火負載動態模擬系統為便攜式工控機形態，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，系統啟動后，持續采集點火信號，當電壓高于預設值后，系統以為觸發0點，根據設置的點火具熔斷時間開始計時，當達到后，系統控制點火負載開關斷開，模擬點火具熔斷瞬間過程，從而完成一次點火模擬。系統可以根據實際需求，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 硬件設計

點火負載動態模擬系統硬件包含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備(包含鼠標、鍵盤)。所有的板卡通過PXI總線實現信號交互，具備模塊化程度高、可擴展性強等特點，硬件架構如圖2所示。

圖2 硬件架構圖

2.1 主控模塊

采用NI的PXI架構嵌入式控制器，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點火負載動態模擬的核心，主要由控制電路、采集電路、功率電路、開關電路等組成。

2.2.1 控制電路

為實現控制電路的實時性，采用FPGA為主控芯片，并通過EMIFA總線與主控制器通信，接受主控制器下發的控制命令，驅動采集電路實現對點火脈沖的實時采集，完成脈沖觸發，按照主控制器設置的熔斷時間開始計時，控制開關電路通斷，點火負載的熔斷模擬。同時，采用SDRAM作為AD采樣緩存，并將緩存的數據傳輸到上位機進行分析和顯示。

2.2.2 采集電路

采集電路采用ADI公司的AD7606高性能模數轉換器，實現對點火脈沖的采樣。ADC工作在同步采樣模式下，采樣率設置為800 kB/s，16位精度，雙極性輸入，通過內部自帶的輸入運放，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。

為確保系統工作的安全性，每一路點火通道采用隔離設計，因此ADC和FPGA之間的通信增加SILICON LABS公司的SI8640四通道數字隔離器，該隔離器隔離電壓高達5 000 V，數據速率最高可達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計，其功率電路如圖3所示。本系統共設計12路負載通道,每路功率電阻選擇包含5種規格電阻～，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 開關電路

開關電路實現對功率電路中不同電阻的選通控制功能，本系統采用型號為AFGHL75T65SQ-D的IGBT實現開關功能。為保護內部FPGA電路不受外部干擾，使用自帶隔離的IGBT驅動器進行IGBT的驅動，FPGA的IO輸出信號接到IGBT驅動器，經過驅動器隔離后，驅動器的輸出端接入IGBT的柵極，用于控制IGBT的通斷，從而實現功率電阻的接入與斷開。IGBT控制電壓+12 V由隔離電源模塊產生，驅動電路如圖4所示。

圖4 驅動電路圖

2.3 供配電

系統采用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換成直流電給機箱PXI背板，機箱背板轉接至各個功能板卡模塊供電。點火負載模塊內部采用DC/DC隔離電源，給各個點火負載通道供電。

3 軟件設計

軟件基于Windows + VS開發環境，由人機交互層、數據處理層、中間層、操作系統層、驅動層組成，其軟件架構如圖5所示。

圖5 軟件架構圖

其中驅動層是設備板卡驅動程序；中間層是基于驅動層對板卡進行數據的采集、設置、轉發，并提供了統一的API封裝接口；人機交互層，調用相應的中間件程序，實現設備板卡的初始化、通道配置、板卡設置、數據發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、通道設置、參數配置、采集數據、實時顯示、保存數據、數據檢索、數據管理、數據回放、IO接口、RS-422接口等。

圖6 軟件功能圖

3.1 軟件工作流程

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

圖7 軟件工作流程

3.2 人機交互界面設計

系統包含主界面、數據回放界面、用戶登錄界面、實時采集界面等。

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

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據。通過API接口發送指令啟動采集后，開啟線程對接口返回的數據進行實時接收，一旦有數據到來，軟件會自動將接收來的數據通過內部處理自動跳轉到相應的數據類型的顯示界面。

數據回放界面主要功能是直接從已篩選過的歷史數據中提取數據點導入到圖形繪制控件中進行數據點的圖形繪制。

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，組成測試驗證系統。點火脈沖輸出脈寬為50 ms，輸出電流大于5 A；設置功率電阻為1 Ω，熔斷時間為10 ms，測試結果如圖8和圖9所示。其中，圖8為輸出點火脈寬測試結果，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，與設計值一致。

5 結論

提出了一種點火負載動態模擬系統設計方法，基于PXI架構，以上下位機模式實現了對點火負載特性參數的配置和試驗控制，能夠完成對點火具動態特性的模擬，并且具有可擴展性強，使用靈活等特點。測試驗證表明，點火負載動態模擬系統可依據點火負載、熔斷時間需求進行相應設置，從而模擬真實點火過程，在武器系統點火測試環節中具有一定的工程應用價值。