CN109556871A - 一种液体火箭发动机时统信号检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体火箭发动机时统信号检测系统及方法，为了保证液体火箭发动机热试车过程流量调节的实时、可靠安全，实现时统信号的实时、安全、有效检测，该检测系统包括硬件隔离接收电路及处理机，硬件隔离接收电路为时统电平信号接收电路或时统触点信号接收电路；其中的时统电平信号接收电路用于接收试车控制台发送的电平信号，时统触点信号接收电路用于接收试车控制台发送的触点信号，处理机采用有限状态机实现检测过程，软件利用多次检测、连续多个周期对信号滤除干扰，避免误触发，可有效接收并检测时统信号的启动和停止过程。

Description

一种液体火箭发动机时统信号检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种液体火箭发动机时统信号检测系统及方法。

背景技术

液体火箭发动机在研制过程中，需要进行系统级试车验证，确认点火时刻、系统性能、各组合件工作匹配性、推力及混合比调节控制精度以及进行发动机边界工况的考核等。由于发动机流量调节控制系统和试车台控制系统以及测量系统是分离式的，分别独立工作，因此需要各系统严格同步工作。目前液体火箭发动机热试车过程流量调节控制系统启动工作的主要方式是发动机试车台控制系统发送同步基准信号(即时统信号)，为系统工作“0”时刻，流量调节控制系统接收并进行检测，当检测到此指令信号有效时，立即启动试车程序，完成发动机流量调节。发动机试车过程时统信号及检测方式有两种：一是电平信号，检测状态为电平低有效，当信号电平变为低时，流量调节系统开始启动程序，与试车台控制系统分别按照提前预定时序各自工作；当电平变为高时，流量调节控制系统立即响应并退出试车程序。另一种是试车控制台发送触点信号，当流量调节控制系统检测到触点信号为闭合状态时，认为指令有效，立即启动试车程序；当检测到触点信号断开时，立即响应并退出试车程序。

但是，现有的液体火箭发动机时统信号检测系统及方法对于时统信号不能安全、有效的隔离接收，对于时统信号的检测存在误检测的状况。

发明内容

为了保证液体火箭发动机热试车过程流量调节的实时、可靠安全，实现时统信号的实时、安全、有效检测，本发明提供一种液体火箭发动机时统信号检测系统及方法。

本发明的技术解决方案是：

一种液体火箭发动机时统信号检测系统，包括硬件隔离接收电路及处理机，其特征在于：

所述硬件隔离接收电路为时统电平信号接收电路或时统触点信号接收电路；

所述时统电平信号接收电路包括第一隔离前端接口电路、第一光电耦合器及第一后端接口电路；所述第一光电耦合器包括阳极端、阴极端、电源端及输出端；

所述第一隔离前端接口电路包括电阻R131、电容C149及二极管V42，所述电阻R131的一端与发动机试车台控制系统的时统信号输出正端ST+连接，所述电阻R131的另一端与电容C149的一端、二级管V42的负端及第一光电耦合器的阳极连接；所述电容C149的另一端、二极管V42的正端分别与发动机试车台控制系统的时统信号输出负端ST-及光电耦合器的阴极连接；

所述第一后端接口电路包括电阻R130，所述电阻R130的一端接第一光电耦合器输出端供电电源电压，另一端与第一光电耦合器的电源端及处理机的时统信号输入端IN-ST连接；

所述光电耦合器的输出端接地；

所述时统触点信号接收电路包括第二隔离前端接口电路、第二光电耦合器及第二后端接口电路；

所述第二隔离前端接口电路包括电阻R13、电容C14及二极管V4，所述电阻R13的一端与第二光电耦合器输入端供电电源连接，所述电阻R13的另一端与电容C14的一端、二级管V4的负端及第二光电耦合器的阳极连接；所述电容C14的另一端、二极管V4的正端分别与发动机试车台控制系统的时统信号输出负端ST-及第二光电耦合器的阴极连接；

所述发动机试车台控制系统的时统信号输出正端ST+接地；

所述第二后端接口电路包括电阻R14，所述电阻R14的一端接第二光电耦合器输出端供电电源电压，另一端与第二光电耦合器的电源端及处理机的时统信号输出输入端IN-ST连接；

所述光电耦合器的输出端接地；

所述处理机包括状态机，所述状态机在运行时，执行如下操作：

1)初始化，初始化完成后跳转至步骤2)的等待状态；

2)在等待状态，以5-10ms为周期，循环读取时统信号输入端；

3)对步骤2)所读取的信号进行检测，当所读取的信号为低电平时，跳转到低计数状态；

在低计数状态下，检测信号状态，若连续5-10个信号均为低电平，则认为检测到时统信号，跳转到步骤4)的指令有效状态；

若在计数过程中，出现高电平，则跳转回步骤2)的等待状态；

4)在指令有效状态下，置时统收到标识以及发动机工作时序启动标识，启动发动机试车程序，然后跳转至步骤5)的指令执行状态；

5)在指令执行状态，以5-10ms为周期，循环读取时统信号输入端；

6)对步骤5)所读取的信号进行检测，当所读取的信号为高时，跳转至高计数状态；在高计数状态下，若连续5-10个信号均为低电平，则认为时统信号已停止，跳转到步骤7)指令完成状态；

若在计数过程中，出现低电平，则跳转回步骤5)指令执行状态；

7)在指令完成状态下，置时统停止标识以及关机标识，启动发动机关机时序，控制发动机停止工作，跳转至步骤1)。

进一步地，为了提高国产化率，并保证信号的安全隔离接收，所述第一光电耦合器和第二光电耦合器的型号为4GH302。

进一步地，所述电阻R131的阻值为300欧姆；所述电容C149的容量为0.1μF；所述电阻R130的阻值为5.1kΩ。

进一步地，所述电阻R13的阻值为300欧姆；所述电容C14的容量为0.1μF；所述电阻R14的阻值为5.1kΩ。

进一步地，所述处理机为DSP。

同时，本发明还提供了一种液体火箭发动机时统信号检测方法，其特殊之处在于：采用处理机状态机完成时统信号的检测及执行，具体步骤如下：

1)初始化，初始化完成后跳转至步骤2)的等待状态；

2)在等待状态，以5-10ms为周期，循环读取时统信号输入端；

3)对步骤2)所读取的信号进行检测，当所读取的信号为低时，跳转到低计数状态；

在低计数状态下，检测信号状态，若连续5-10个信号均为低电平，则认为检测到时统信号，跳转到步骤4)的指令有效状态；

若在计数过程中，出现高电平，则跳转回步骤2)的等待状态；

4)在指令有效状态下，置时统收到标识以及发动机工作时序启动标识，启动发动机试车程序，然后跳转至步骤5)的指令执行状态；

5)在指令执行状态，以5-10ms为周期，循环读取时统信号输入端；

6)对步骤5)所读取的信号进行检测，当所读取的信号为高时，跳转至高计数状态；在高计数状态下，若连续5-10个信号均为低电平，则认为时统信号已停止，跳转到步骤7)指令完成状态；

若在计数过程中，出现低电平，则跳转回步骤5)指令执行状态；

7)在指令完成状态下，置时统停止标识以及关机标识，启动发动机关机时序，控制发动机停止工作，跳转至步骤1)。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明提出的液体火箭发动机时统信号检测系统，包括硬件隔离接收电路和基于有限元状态机的软件检测方法，其中硬件隔离接收电路涵盖了对试车台时统不同信号输出形式的隔离检测，对电平信号及触点信号均能安全、有效的隔离接收，且硬件隔离接收电路的延迟影响经实际测试，可忽略；软件采用有限元状态机实现检测过程，软件利用多次检测、连续多个周期对信号滤除干扰，避免误触发，可有效接收并检测时统信号的启动和停止过程。

2、本发明提出的液体火箭发动机时统信号检测系统，硬件接收电路利用光电耦合器GH302(4GH302)进行外部信号隔离，并在光电耦合器的输入端并接反向二极管及电容，反向二极管对光电耦合器进行有效保护，电容与输入限流电阻共同组成RC滤波电路，从而可以对不同外部时统信号进行有效隔离、滤波及实时传输，避免了发动机热试车或试验过程不同测控设备之间的影响和信号串扰，保证系统安全运行。

附图说明

图1是本发明实施例时统电平信号接收电路结构图；

图2是本发明实施例时统触点信号接收电路结构图；

图3是本发明实施例时统信号检测状态转移图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

一种液体火箭发动机时统信号检测系统，包括硬件部分及软件部分，以下分别进行说明。

硬件部分：时统信号由硬件隔离接收电路接收，硬件隔离接收电路由光电耦合器，结合隔离前端接口电路和后端接口电路组成，保证信号的隔离、实时、安全接收。其中隔离前端接口电路设计两种方式来适应不同时统信号的形式，信号传输延迟us级，满足发动机试车台控制要求。两种时统隔离接收电路见图1-2所示。

如图1所示，时统电平信号接收电路包括第一隔离前端接口电路、第一光电耦合器及第一后端接口电路；第一光电耦合器包括阳极端、阴极端、电源端及输出端；第一隔离前端接口电路包括电阻R131、电容C149及二极管V42，电阻R131的一端与发动机试车台控制系统的时统信号输出正端ST+连接，电阻R131的另一端与电容C149的一端、二级管V42的负端及第一光电耦合器的阳极连接；电容C149的另一端、二极管V42的正端分别与发动机试车台控制系统的时统信号输出负端ST-及光电耦合器的阴极连接；第一后端接口电路包括电阻R130，电阻R130的一端接第一光电耦合器输出端供电电源电压，另一端与第一光电耦合器的电源端及处理机的时统信号输入端连接；光电耦合器的输出端接地。

图1所示的时统电平信号接收电路是对外部试车控制台发送的电平信号进行隔离接收，此信号检测为高电平有效，并一直维持，直至试车结束正常关机或发动机紧急关机。经检测接收电路产生隔离后电平信号输出至处理机系统的时统信号输入端，由系统软件进行检测、判断后启动试车程序。具体为：当时统信号电平变高“H”时，隔离前端接口电路产生大于10mA电流，来触发光电耦合器输出级导通，则隔离电路后端电平相应变为低“L”，通过处理机电路时统信号输入端来完成信号的接收，当处理器软件完成信号的有效检测后立即启动试车程序，开始进行流量调节；当对外部试车控制台发送的时统信号电平变为低“L”时，则光电耦合器输出级断开，则后端接口电路电平相应变为高“H”，处理器软件检测到后立即响应并退出试车程序。

图2所示的时统触点信号接收电路包括第二隔离前端接口电路、第二光电耦合器及第二后端接口电路；第二隔离前端接口电路包括电阻R13、电容C14及二极管V4，电阻R13的一端与第二光电耦合器输入端供电电源连接，电阻R13的另一端与电容C14的一端、二级管V4的负端及第二光电耦合器的阳极连接；电容C14的另一端、二极管V4的正端分别与发动机试车台控制系统的时统信号输出负端及第二光电耦合器的阴极连接；发动机试车台控制系统的时统信号输出正端接地；第二后端接口电路包括电阻R13，电阻R13的一端接第二光电耦合器输出端供电电源电压，另一端与第二光电耦合器的电源端及处理机的时统信号输入端连接；光电耦合器的输出端接地。

图2所示的时统触点信号接收电路是对外部试车控制台发送的触点信号进行隔离接收，系统检测为触点闭合有效。经检测接收电路产生隔离后电平信号输出至处理机系统的时统信号输入端，由系统软件进行检测、判断后启动试车程序。具体为：当时统信号触点闭合时，接口电路产生大于10mA电流，来触发光电耦合器输出级导通，产生低电平“L”，并输出至处理机电路时统信号输入端，当处理器软件对此信号进行有效检测后立即启动试车程序，开始进行流量调节；当完成试车正常关机或发生紧急关机时，时统信号触点断开时，则光电耦合器停止工作，输出级断开，隔离电路后端电平相应变为高“H”，处理器软件检测到后立即响应并退出试车程序。

软件部分：软件设计中采用有限状态机方式实现时统检测，具体过程如下：

如图3所示，程序初始化时，状态为空闲，此时初始化所有变量，完成初始化后，跳转至等待状态；在等待状态下，以5-10ms为周期，循环读取时统信号输入端，当信号为低时，跳转到低计数状态；在低计数状态下，以x ms周期检测信号状态，若连续若5-10个周期均为低电平，则认为检测到时统信号，跳转到指令有效状态，若在计数过程中，出现高电平，则跳转回等待状态；在指令有效状态下，置时统收到标识以及发动机工作时序启动标识，启动发动机工作时序，使发动机按照约定进行相应动作，然后跳转至指令执行状态；在指令执行状态下，以5-10ms为周期，循环读取时统信号输入端，当信号为高时，跳转至高计数状态；在高计数状态下，以5-10ms为周期检测信号状态，若连续多个周期均为高电平，则认为时统信号已停止，跳转到指令完成状态，若在计数过程中，出现低电平，则跳转回指令执行状态；在指令完成状态下，置时统停止标识以及关机标识，启动发动机关机时序，控制发动机停止工作，跳转至空闲状态。

发动机工作时序中减去时统信号检测时间，避免检测时间产生延迟影响，保证信号响应的实时性要求。

Claims (6)

1.一种液体火箭发动机时统信号检测系统，包括硬件隔离接收电路及处理机，其特征在于：

所述硬件隔离接收电路为时统电平信号接收电路或时统触点信号接收电路；

所述时统电平信号接收电路包括第一隔离前端接口电路、第一光电耦合器及第一后端接口电路；所述第一光电耦合器包括阳极端、阴极端、电源端及输出端；

所述第一隔离前端接口电路包括电阻R131、电容C149及二极管V42，所述电阻R131的一端与发动机试车台控制系统的时统信号输出正端ST+连接，所述电阻R131的另一端与电容C149的一端、二级管V42的负端及第一光电耦合器的阳极连接；所述电容C149的另一端、二极管V42的正端分别与发动机试车台控制系统的时统信号输出负端ST-及光电耦合器的阴极连接；

所述第一后端接口电路包括电阻R130，所述电阻R130的一端接第一光电耦合器输出端供电电源电压，另一端与第一光电耦合器的电源端及处理机的时统信号输入端IN-ST连接；

所述光电耦合器的输出端接地；

所述时统触点信号接收电路包括第二隔离前端接口电路、第二光电耦合器及第二后端接口电路；

所述第二隔离前端接口电路包括电阻R13、电容C14及二极管V4，所述电阻R13的一端与第二光电耦合器输入端供电电源连接，所述电阻R13的另一端与电容C14的一端、二级管V4的负端及第二光电耦合器的阳极连接；所述电容C14的另一端、二极管V4的正端分别与发动机试车台控制系统的时统信号输出负端ST-及第二光电耦合器的阴极连接；

所述发动机试车台控制系统的时统信号输出正端ST+接地；

所述第二后端接口电路包括电阻R14，所述电阻R14的一端接第二光电耦合器输出端供电电源电压，另一端与第二光电耦合器的电源端及处理机的时统信号输出输入端IN-ST连接；

所述光电耦合器的输出端接地；

所述处理机包括状态机，所述状态机在运行时，执行如下操作：

1)初始化，初始化完成后跳转至步骤2)的等待状态；

2)在等待状态，以5-10ms为周期，循环读取时统信号输入端；

3)对步骤2)所读取的信号进行检测，当所读取的信号为低电平时，跳转到低计数状态；

在低计数状态下，检测信号状态，若连续5-10个信号均为低电平，则认为检测到时统信号，跳转到步骤4)的指令有效状态；

若在计数过程中，出现高电平，则跳转回步骤2)的等待状态；

4)在指令有效状态下，置时统收到标识以及发动机工作时序启动标识，启动发动机试车程序，然后跳转至步骤5)的指令执行状态；

5)在指令执行状态，以5-10ms为周期，循环读取时统信号输入端；

6)对步骤5)所读取的信号进行检测，当所读取的信号为高时，跳转至高计数状态；在高计数状态下，若连续5-10个信号均为低电平，则认为时统信号已停止，跳转到步骤7)指令完成状态；

若在计数过程中，出现低电平，则跳转回步骤5)指令执行状态；

7)在指令完成状态下，置时统停止标识以及关机标识，启动发动机关机时序，控制发动机停止工作，跳转至步骤1)。

2.根据权利要求1所述的液体火箭发动机时统信号检测系统，其特征在于：

所述第一光电耦合器和第二光电耦合器的型号为4GH302。

3.根据权利要求2所述的液体火箭发动机时统信号检测系统，其特征在于：

所述电阻R131的阻值为300欧姆；

所述电容C149的容量为0.1μF；

所述电阻R130的阻值为5.1kΩ。

4.根据权利要求2所述的液体火箭发动机时统信号检测系统，其特征在于：

所述电阻R13的阻值为300欧姆；

所述电容C14的容量为0.1μF；

所述电阻R14的阻值为5.1kΩ。

5.根据权利要求1至4任一所述的液体火箭发动机时统信号检测系统，其特征在于：

所述处理机为DSP。

6.一种液体火箭发动机时统信号检测方法，其特征在于：采用处理机状态机完成时统信号的检测及执行，具体步骤如下：

1)初始化，初始化完成后跳转至步骤2)的等待状态；

2)在等待状态，以5-10ms为周期，循环读取时统信号输入端；

3)对步骤2)所读取的信号进行检测，当所读取的信号为低时，跳转到低计数状态；

在低计数状态下，检测信号状态，若连续5-10个信号均为低电平，则认为检测到时统信号，跳转到步骤4)的指令有效状态；

若在计数过程中，出现高电平，则跳转回步骤2)的等待状态；

4)在指令有效状态下，置时统收到标识以及发动机工作时序启动标识，启动发动机试车程序，然后跳转至步骤5)的指令执行状态；

5)在指令执行状态，以5-10ms为周期，循环读取时统信号输入端；

6)对步骤5)所读取的信号进行检测，当所读取的信号为高时，跳转至高计数状态；在高计数状态下，若连续5-10个信号均为低电平，则认为时统信号已停止，跳转到步骤7)指令完成状态；

若在计数过程中，出现低电平，则跳转回步骤5)指令执行状态；

7)在指令完成状态下，置时统停止标识以及关机标识，启动发动机关机时序，控制发动机停止工作，跳转至步骤1)。