CN101782754A

CN101782754A - 一种用于运载火箭地面测试发控系统的冗余切换电路

Info

Publication number: CN101782754A
Application number: CN200910243289A
Authority: CN
Inventors: 刘巧珍; 徐晨; 沈海阔; 徐洪平; 张学英
Original assignee: Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2029-12-30
Also published as: CN101782754B

Abstract

一种用于运载火箭地面测试发控系统的冗余切换电路，主要由FPGA模块、单片机、切换继电器和手动切换开关组成：FPGA模块实现自动切换和以太网切换功能，以太网切换优先级高；单片机：接收以太网接口信号，并将该信号传送给FPGA模块，同时接收来自FPGA模块的主从机工作状态，并实时显示；放大电路：接收FPGA模块的输出信号，并进行功率放大；继电器：接收放大电路的驱动信号，执行动作；手动开关：用于应急状态下有人参与的手动切换，手动切换的优先级最高。保证了测试发控系统输出无扰动，确保整个测控系统的可靠性和安全性。解决了通用测控设备可靠性低，难以保证火箭射前无人值守的难题，满足了运载火箭对地面测试发控系统的高可靠性和安全性要求。

Description

一种用于运载火箭地面测试发控系统的冗余切换电路

技术领域

本发明涉及一种通用的火箭地面测试发控系统双冗余热备份切换电路，实现了双冗余热备份测控系统的“自动”和“手动”远距离无扰动切换。

背景技术

在运载火箭地面测试发控系统设计中，通用的测控设备应用广泛，如PXI、CPCI、PXI等，然而这些通用的测控设备不支持双冗余热备份功能，在航天领域，为确保零窗口发射，必须保证设备具有很高的可靠性，因此，必须采用双冗余热备份设计措施，以保证测试发控系统能够长时间连续可靠运行，保证射前无人值守情况下设备处于正常工作状态。

现有CPCI、PXI等测控设备均不支持双冗余热备份，因此一套设备故障情况下，只能断电后进行更换，影响测控系统流程的连续性，这一现状不满足运载火箭地面测试发控系统高可靠的要求；对于射前无人值守的情况下，更换所需要的时间更长，不满足射前测试和发射的流程要求；对于关键的控制指令，如“贮箱增压控制”指令，若测控设备失效，重则会造成箭毁人亡的后果，测控设备不采取冗余设计，不满足运载火箭高安全性的要求。

发明内容

本发明的技术解决的问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于运载火箭地面测试发控系统的冗余切换电路，实现了“手动”和“自动”无扰动切换，切换机理明确，保证了测试发控系统输出无扰动，确保整个测控系统的可靠性和安全性。解决了通用测控设备可靠性低，难以保证火箭射前无人值守的难题，满足了运载火箭对地面测试发控系统的高可靠性和安全性要求。

本发明的技术解决方案是：一种用于运载火箭地面测试发控系统的冗余切换电路，其特征在于主要由FPGA模块、单片机、切换继电器和手动切换开关组成：

FPGA模块：实现自动切换和以太网切换功能，以太网切换优先级高，即在上电后，实时接收主从机发送的心跳信号，如果检测到主机心跳信号正常，则不进行切换操作，如果检测到主机心跳信号停止，且从机心跳信号正常，则实施自动主从切换，如果检测到主机心跳信号停止，且从机心跳信号停止，则不进行切换操作；当接收到单片机发送过来的以太网切换信号时，则实施切换；

单片机：接收以太网接口信号，并将该信号传送给FPGA模块，同时接收来自FPGA模块的主从机工作状态，并实时显示；

放大电路：接收FPGA模块的输出信号，并进行功率放大；

继电器：接收放大电路的驱动信号，执行动作；

手动开关：用于应急状态下有人参与的手动切换，手动切换的优先级最高。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)切换电路可靠性高、机理清楚，不仅能够实现有人干预情况下的“手动”和以太网切换，而且能够实现故障情况下的“自动”切换；

(2)通过试验表明，本发明的系统冗余切换无扰动，不影响被动对象的执行状态，保证了发射场设备的安全性和工作的有效性。

附图说明

图1为双冗余热备份测试发控系统组成示意图；

图2为切换电路框图；

图3为FPGA模块实现流程图。

具体实施方式

一种应用本发明切换电路的地面测试发控系统组成示意图如图1所示，主要设备有程控计算机、交换机、主从测控组合，切换控制装置和被测控对象。

(1)程控计算机：程控计算机的主要作用是通过交换机将控制指令发送至主从测控组合，同时，可以通过交换机将切换指令发送至切换控制组合，实现远程以太网切换；

(2)交换机：实现程控计算机与主从测控组合，程控计算机与切换控制装置之间的通信；

(3)主从测控组合：测控组合(主)和测控组合(从)是通用的测试发控设备，独立封装，同步运行，主、从测控设备工作正常时，主系统输出，从系统输出屏蔽；主系统工作故障情况下，无缝切换至从系统工作；

(4)切换控制装置：切换控制装置是该方法的核心设备，本发明的切换电路安装在该装置中，该装置的主要作用是将被测控对象的测试信号一分为二，传输至主从测控组合中，同时，通过本发明的切换电路，实现对主从输出的屏蔽和打开功能，实现主从测控组合的无扰动切换；对输入信号而言，实现一分为二功能技术成熟，因此不是本文的创新点。对运载火箭地面测试发控系统而言，最为关键的是开关量输出切换，要防止输出误动作，必须保证切换过程中，开关量输出保持不变。因此，本发明的重点是输出的切换控制电路。

(5)被测控对象：被测控对象是地面测试发控系统的服务对象，地面测试发控的主要作用就是测量被测控对象的模拟量和开关量信号，同时按照测控组合的控制指令执行相应的动作。

本发明切换电路实现的功能包括：手动切换、自动切换和以太网远程切换。对火箭地面测试发控系统而言，最为关键的是开关量输出切换，要防止输出误动作，必须保证切换过程中，开关量输出保持不变。因此，要保证系统输出无波动。

1、手动切换

a、手动切换是当自动切换发生问题时，作为保障性切换的手段；

b、手动切换具有最高的优先级，当执行手动切换时，自动切换和以太网切换都无效。

手动切换在整个切换过程中具有最高的指令级别，首先按下手动切换按键，控制磁保持继电器G6AK274P触点由默认的自动控制通道改为手动控制通道，这时自动切换无效。使用磁保持继电器的优点是即使在断电的情况下，触点的连接情况也不会发生变化，具有较高的可控性。然后再按下选择主机或从机的按键，就是控制另一个磁保持继电器G6AK274P，控制主从切换，手动切换可以根据需要连续的切换主机或从机工作。

2、自动切换要点

a、自动切换检测在上电一定时间之后开始(主要目的是防止上电过程中系统未进入正常运行状态而产生误切换，该时间可以自行设定，如300秒)；

b、设定心跳信号频率，如5kHz(该时间长度，可以根据系统具体需要进行适应性修改，具有很强的通用性)；

c、主机的心跳信号停止发送50ms(该时间可以通过FPGA修改，具有灵活性和通用性)，而从机的心跳信号没有停止，给出切换命令；

d、主从机心跳信号都停止时，系统不切换。为了保障切换的可靠性，自动切换只是将主机切换到从机，要将从机切换至主机，必须通过手动切换按钮或网络切换按钮完成。

自动切换指令由FPGA XC200PQ5I产生。切换电路在默认状态，是自动切换有效。为了确保系统的稳定性，在上电的初始300s后，FPGA才启动自动切换程序。主机的心跳信号停止发送50ms，而从机的心跳信号没有停止，给出切换命令。主从机心跳信号都停止时并不切换，并且为了保障切换的可靠性，自动切换只是将主机切换到从机，只进行一次切换。切换信号由FPGA发出后，经驱动芯片ULN2803后，控制输出主从通道继电器G6H-2触点动作，输出通道就转由从机控制。

为了便于远程控制，自动切换通道除了可以自行工作外，还可以通过两路冗余的网络通道去人为干预，由于切换命令也是有FPGA给出，控制通道与自动切换通道有部分重合的。以太网的实现为了保证可靠性，由工作温度达到军品级的单片机C8051F021带两个网络协议芯片W3150实现，以太网协议选用tcp，从机作client，切换装置作server。当从机通过以太网给出指令0x72，FPGA就给出切换命令，将主机切换到从机，并且只进行一次切换。

3、以太网切换要点

a、网络切换通道可以实现主从机之间的双向切换，通过FPGA给出切换命令；

b、以太网协议选用TCP/IP，从机作客户端(client)，切换装置作服务器(server)；

c、当从机通过以太网给出指令，FPGA就给出切换命令，将主机切换到从机，并且只进行一次切换。

切换电路如图2所示，在自动切换装置工作时，由FPGA实时检测来自主从机(主从测控组合)的心跳信号，一旦检测到心跳信号不正常，则通过FPGA程序逻辑输出，经放大电路(三极管)放大后驱动继电器A动作(继电器A默认状态为主机连接状态)，实现切换，单片机采集FPGA的动作状态，并实时显示在切换装置的显示屏上，指示主从机的工作状态。

网络控制主从机切换，当切换装置工作在自动切换状态时，通过远端控制计算机的网络，经由主机将切换主从机的信号发到切换控制装置，完成主从机输出开关量的切换。网络切换指令通过程控计算机发出，该指令经交换机通过TCP/IP协议发送至切换装置中的单片机，由单片机接收判断后将切换指令发送至FPGA芯片，通过FPGA逻辑程序输出，放大后驱动继电器A动作(继电器A默认状态为主机连接状态)，实现切换控制；

本地手动主从机切换：为保证远控通道故障时的切换控制和本机调试使用，在控制装置面板上安装有一个本地控制开关，可在本地直接实现主从机输出的切换。其中K3为手动/自动选择开关，手动切换按钮按下后，继电器A线包带电，实现切换。

三种切换模式的最终目的是控制主测控组合输出有效还是从测控输出有效，对被控对象而言，是不透明的，在切换过程中，无论是主测控组合输出有效还是从测控组合输出有效，被控对象的工作状态一致。

图2中，主从测控组合输出板卡为主从机中安装的输出板卡模块，输出信号经光耦隔离后驱动执行机构继电器动作(如，图2中表示的，主测控组合继电器)输出给被控对象；主机输出有效还是从机输出有效受到本发明切换电路的控制，正常情况下，主机输出有效，主从切换后，从机输出有效。图2中所示的被控对象为2路，实际中被控对象可以根据需求设定，本发明的切换电路并不改变。

如图3所示，为FPGA模块实现流程图，实现自动切换和以太网切换功能，以太网切换优先级高，即在上电后，实时接收主从机发送的心跳信号，如果检测到主机心跳信号正常，则不进行切换操作，如果检测到主机心跳信号停止，且从机心跳信号正常，则实施自动主从切换，如果检测到主机心跳信号停止，且从机心跳信号停止，则不进行切换操作；当接收到单片机发送过来的以太网切换信号时，则实施切换；

地面测试发控系统双冗余测控设备协同有机运行，冗余设备独立封装，同步运行，主、从系统工作正常时，主系统输出，从系统输出屏蔽；主系统工作故障情况下，无缝切换至从系统工作。手动切换的优先级高于自动切换，通过手动切换可实施双向切换，通过自动切换只能实现单向切换。

本发明用于地面测试发控系统后，测试人员进行了试验，通过主从切换后开关量输出状态指示图看出。而且切换过程中，第1路继电器由于从机也是高电平，继电器始终闭合且没有抖动。通过等效器上输出状态指示灯的显示，通过测试人员观察，指示灯状态无变化。说明主从切换时不影响负载的执行情况，不影响动力系统被控阀门的输出状态。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种用于运载火箭地面测试发控系统的冗余切换电路，其特征在于主要由FPGA模块、单片机、切换继电器和手动切换开关组成：

放大电路：接收FPGA模块的输出信号，并进行功率放大；

继电器：接收放大电路的驱动信号，执行动作；

2.根据权利要求1所述的一种用于运载火箭地面测试发控系统的冗余切换电路，其特征在于：所述FPGA模块在上电300s后，才启动工作，确保系统的稳定性。

3.根据权利要求1所述的一种用于运载火箭地面测试发控系统的冗余切换电路，其特征在于：所述步骤(1)中如果检测到主机心跳信号停止，且从机心跳信号正常，则实施自动主从切换时，要求主机的心跳信号停止时间为50ms-60ms。