CN112504030A - 一种基于vpx架构的运载火箭通用一体化电子系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及火箭电子系统领域,公开了一种基于VPX架构的运载火箭通用一体化电子系统,采用军用级VPX/OpenVPX标准架构,通过基于VPX的标准集成化设计将火箭上控制系统设备和测量系统设备进行一体化设计;根据火箭总体和电气系统具体设计情况在火箭上布置集成化电子设备,按照电子系统功能将不同集成化电子设备的公共部分剥离为通用化模块,通用化模块根据功能有机集成并通过软件定义功能;通用化模块之间通过背板电源线统一供电并通过板间总线进行信息交互,解决了火箭上的电子设备数量多的问题,提高了火箭的一体化程度,实现了减重、降成本的目的。
Description
技术领域
本发明涉及火箭电子系统领域,尤其涉及一种基于VPX架构的运载火箭通用一体化电子系统。
背景技术
运载火箭箭上电子系统一般包括控制系统和测量系统,两个系统的功能相对比较独立,几乎没有太多的一体化融合设计,且两个系统均包含多个电子类设备,比如飞控计算机、配电器、各级控制器、卫导接收机、各级采编器、综合信息处理设备等。一些多级运载火箭上计算机类单机设备数量往往在6-10台,甚至更多。
同时,由于传统多级运载火箭上的电子设备往往由不同的研制单位负责,彼此独立进行设计,设备内各电路板的尺寸、接口均不相同,无法做到板级的通用。这种情况在导致火箭上电子设备一体化程度低的同时,进一步增加了火箭上电子设备的数量。
但火箭上设备数量多有很明显的缺点,设备多意味着壳体也多,火箭上设备的壳体为了适应复杂的力学环境条件往往设计的较厚、较重,众多的火箭上的电子设备的壳体非常不利于火箭的减重;且电子设备多导致连接各电子设备之间的电缆也变多,直接增加了箭上电缆网的重量,从而导致系统整体质量较大、增加了成本。
与此同时,由于火箭上电子设备一体化程度低、不同的电子类设备各电路板的技术状态不相同,导致系统故障的可能性增大。不同的技术状态也将增加测试、质量把控、验收等各项工作量,直接增加了成本;且各设备内部计算资源、存储资源、电源资源等均存在一定程度的重复、浪费,故有待改进。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种基于VPX架构的运载火箭通用一体化电子系统,大幅减少多级固体运载火箭上的电子设备的数量,提高火箭上电子产品的“一体化、组合化、通用化”水平,从而实现“减重、降成本、提高可靠性”等目的。
为达到上述目的,本发明的技术方案为:
一种基于VPX架构的运载火箭通用一体化电子系统,采用军用级VPX/OpenVPX标准架构,通过基于VPX的标准集成化设计将火箭上控制系统设备和测量系统设备进行一体化设计;
根据火箭总体和电气系统具体设计情况在火箭上布置集成化电子设备,按照电子系统功能将不同集成化电子设备的公共部分剥离为通用化模块,所述通用化模块根据功能有机集成并通过软件定义功能;
所述通用化模块之间通过背板电源线统一供电并通过板间总线进行信息交互。
通过采用上述技术方案,火箭上的控制系统和测量系统在采用军用级VPX/OpenVPX标准架构后被高度集成一体化融合设计,大幅减少了箭上综合电子类设备的数量,直接减少了火箭上电子设备的厚重壳体的数量和连接众多电子设备的电缆的数量,从而大大降低了火箭的重量,实现了火箭减重、降低成本的目的;军用级VPX/OpenVPX标准架构具有良好的机械结构强度和快速导热功能,能够适应箭上恶劣的环境条件。另外,集成化电子设备由多种通用化模块根据功能有机集成并通过软件定义功能,集成化电子设备公共部分的功能由各通用化模块实现,通用化模块接口统一,功能明确,避免了各种资源的重复与浪费,提高了火箭上电子设备的一体化、通用化水平。同时,由于通用化模块所使用的电路板的尺寸、接口皆为通用型号,实现了板级的通用,避免了各电路板的技术状态均不相同的情况,降低了系统故障的可能性,提高了火箭上系统可靠性,同时也削减了测试、质量把控和验收等各项工作量,提高了工作效率。
本发明进一步设置为:火箭头部仪器舱设置一台集成化电子设备,火箭尾部或中部设置一台集成化电子设备,其它位置是否设置根据实际情况进行权衡决定。
通过采用上述技术方案,火箭上关键位置处布置的集成化电子设备在保证火箭电子系统功能正常实现的前提下减少了集成化电子设备的数量,有利于火箭的减重以及控制成本。
本发明进一步设置为:所述通用化模块采用符合VPX标准的6U导冷设计。
通过采用上述技术方案,通用化模块选用6U标准,信号组合较为灵活,拥有更高的布板效率;且导冷结构的环境适应性优良,满足火箭上的实验条件,同时由于导冷结构并没有运动部件,其维护成本较低,有利于提高火箭上电子设备的经济性。
本发明进一步设置为:所述集成化电子设备支持不同通用化模块随意组合。
通过采用上述技术方案,当火箭上的时序控制需求多的时候可以通过增加时序控制模块快速满足新型号的需求,而不再需要重新研制一台新的设备;同理,当信息采集需求多的时候可以通过增加采集模块快速满足新型号的需求,从而大大加快了新型号综合电子类设备的研制速度,并通过产品化管理提高了可靠性。
本发明进一步设置为:所述通用化模块包括CPU模块,所述CPU模块采用高集成SoC芯片和多模冗余技术。
通过采用上述技术方案,火箭上CPU模块的主要功能是飞行计算、时序控制、数据处理、通讯控制等,对CPU模块采用多模冗余技术可有效提高火箭上电子系统的可靠性。同时,SoC芯片的应用大大降低了电路板的体积和重量,降低了系统的成本。此外,由于SoC芯片降低了系统板上因信号在多个芯片之间进出带来的延迟,具有提高系统可靠性的优点。
本发明进一步设置为:所述通用化模块包括配电模块,所述配电模块实现一次电源的配电功能。
通过采用上述技术方案,专用的配电模块通过多路开关的分时通断可为不同的用电设备供电,满足测试和上电可靠性等方面的要求,进而提高了系统的可靠性。
本发明进一步设置为:所述通用化模块包括电源模块,所述电源模块将一次电源变换为二次电源或三次电源。
通过采用上述技术方案,单独设立的电源模块可将一次电源变换为不同集成化电子设备内芯片所使用的二次电源和三次电源,从而符合不同设备对二次电源和三次电源的不同要求,同时保持对外接口统一,既避免了电源资源的浪费,同时提高了模块的通用化水平。
本发明进一步设置为:所述通用化模块包括采集模块,所述采集模块包括GNSS采集模块、图像采集模块和传感器采集模块。
通过采用上述技术方案,不同的采集模块具有不同的信息采集功能,GNSS采集模块实现卫星导航接收机的功能;图像采集模块实现摄像头模拟信号的解析、压缩、传输功能;传感器采集模块实现数据采编、汇总的功能,便于设计人员根据火箭对信息采集的实际需要布设相对应的采集模块。
综上所述,本发明实现的有益效果如下:
(1)火箭上的控制系统和测量系统被高度集成一体化融合设计,大幅减少了箭上综合电子类设备的数量,直接减少了火箭上电子设备的厚重壳体的数量和连接众多电子设备的电缆的数量,从而大大降低了火箭的重量,实现了火箭减重、降低成本的目的;
(2)集成化电子设备由多种通用化模块根据功能有机集成并通过软件定义功能,通用化模块接口统一,功能明确,避免了各种资源的重复与浪费,提高了火箭上电子设备的一体化、通用化水平;
(3)通用化模块所使用的电路板的尺寸、接口皆为通用型号,实现了板级的通用,避免了各电路板的技术状态均不相同的情况,降低了系统故障的可能性,提高了火箭上系统可靠性,同时也削减了测试、质量把控和验收等各项工作量,提高了工作效率;
(4)高集成SoC芯片的应用使得电子设备的体积和重量进一步减小;
(5)集成化电子设备支持不同通用化模块随意组合的设置使得设计人员可根据火箭对不同模块的需求情况针对性的增加火箭上对应的模块来快速满足新型号的需求,而不再需要重新研制一台新的设备,从而大大加快了新型号综合电子类设备的研制速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为集成化电子设备架构组成框图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
一种基于VPX(VPX是基于高速串行总线的新一代总线标准)架构的运载火箭通用一体化电子系统,采用军用级VPX/OpenVPX(OpenVPX标准是一款当今世界范围内特别适用于航空、航天、军工等高可靠领域的计算机标准)标准架构,具有良好的机械结构强度和快速导热功能,能够适应火箭上恶劣的环境条件。同时,VPX架构作为一个国际标准架构,产品和技术能够得到广泛的支持,具有高可靠、即插即用、强环境适应性的优点。
通过基于VPX的标准集成化设计将火箭上控制系统设备和测量系统设备进行一体化设计,根据火箭总体和电气系统具体设计情况在火箭上布置集成化电子设备。
优选地,火箭头部仪器舱设置一台集成化电子设备,火箭尾部或中部设置一台集成化电子设备,其它位置是否设置往往根据实际情况进行权衡决定。将传统控制系统和测量系统进行统筹融合可大幅减少箭上综合电子类设备的数量,直接减少了火箭上电子设备的厚重壳体的数量和连接众多电子设备的电缆的数量,从而大大降低了火箭的重量,实现了火箭减重、降低成本的目的。
通用一体化电子系统按照系统功能将不同集成化电子设备的公共部分剥离为通用化模块。通用化模块的接口统一,各模块的功能独立且明确,避免了不同集成化电子设备内部的计算资源、存储资源、电源资源等公共资源的重复与浪费,从而提高了火箭上电子设备的一体化、通用化水平。
具体地,如附图1所示,通用化模块包括CPU模块、电源模块、配电模块、时序模块、采集模块和测试模块。另外,通用化模块还设置有预留位置,方便设计人员根据火箭的实际需要对通用化模块进行扩展。通用化模块之间通过背板电源线统一供电并通过板间总线进行信息交互,多台集成化电子设备由多种通用化模块根据功能有机集成并通过软件定义功能。
背板电源线统一供电和板间总线的设置替代了原电子设备之间的大量供电电缆和通讯电缆,使得火箭进一步减重的同时也简化了火箭结构,方便工作人员对火箭的装配和维检。
火箭上CPU模块的主要功能是飞行计算、时序控制、数据处理、通讯控制等,在本实施例中,CPU模块采用了高集成SoC芯片和多模冗余技术。由于SoC芯片具有降低系统板上因信号在多个芯片之间进出带来的延迟的作用,故,SoC芯片的应用和多模冗余技术大大提高了火箭上电子系统的可靠性。同时,高集成SoC芯片的应用降低了电路板的体积和重量,降低了系统的成本。
配电模块用于实现一次电源的配电功能,通过多路开关的分时通断,为不同用电设备供电,满足测试和上电可靠性等方面的要求。
电源模块将一次电源变换为二次电源或三次电源,为不同集成化电子设备内的芯片等设备供电,从而符合不同设备对二次电源和三次电源的不同要求,同时保持对外接口统一,既避免了不同集成化电子设备内部的电源资源的浪费,同时提高了模块的通用化水平。
采集模块包括GNSS采集模块、图像采集模块和传感器采集模块。GNSS采集模块实现卫星导航接收机的功能;图像采集模块实现摄像头模拟信号的解析、压缩、传输功能;传感器采集模块实现数据采编、汇总的功能。不同的采集模块具有不同的信息采集功能,使得设计人员可根据火箭对信息采集的实际需要布设相对应的采集模块。
时序模块用于火箭上火工品点火、姿控阀门控制等时序动作执行。
测试模块实现电磁阀回路阻值、火工品回路阻值测试功能。
通用化模块采用符合VPX标准的6U导冷设计。具体地,通用化模块选用6U标准,信号组合较为灵活,相较于3U标准,6U标准拥有更大的PCB板面积和更高的布板效率;而导冷结构的环境适应性优良,满足火箭上的实验条件。
集成化电子设备支持不同通用化模块随意组合。具体地,设计人员可根据火箭对不同模块的需求情况针对性的增加火箭上对应的模块来快速满足新型号的需求,而不再需要重新研制一台新的设备,从而大大加快了新型号综合电子类设备的研制速度,提高了设备快速定制能力。例如,当火箭上的时序控制需求多的时候可以通过增加时序控制模块快速满足新型号的需求;而当火箭上的信息采集需求多的时候则可以通过增加采集模块快速满足新型号的需求。
同时,模件级通用化、设备组合化使设备的技术状态减少,降低了系统故障的可能性,同时也削减了测试、质量把控和验收等各项工作量。
尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种基于VPX架构的运载火箭通用一体化电子系统,其特征在于,采用军用级VPX/OpenVPX标准架构,通过基于VPX的标准集成化设计将火箭上控制系统设备和测量系统设备进行一体化设计;
根据火箭总体和电气系统具体设计情况在火箭上布置集成化电子设备,按照电子系统功能将不同集成化电子设备的公共部分剥离为通用化模块,所述通用化模块根据功能有机集成并通过软件定义功能;
所述通用化模块之间通过背板电源线统一供电并通过板间总线进行信息交互。
2.根据权利要求1所述的一种基于VPX架构的运载火箭通用一体化电子系统,其特征在于,火箭头部仪器舱设置一台集成化电子设备,火箭尾部或中部设置一台集成化电子设备,其它位置是否设置根据实际情况进行权衡决定。
3.根据权利要求1所述的一种基于VPX架构的运载火箭通用一体化电子系统,其特征在于,所述通用化模块采用符合VPX标准的6U导冷设计。
4.根据权利要求1所述的一种基于VPX架构的运载火箭通用一体化电子系统,其特征在于,所述集成化电子设备支持不同通用化模块随意组合。
5.根据权利要求1所述的一种基于VPX架构的运载火箭通用一体化电子系统,其特征在于,所述通用化模块包括CPU模块,所述CPU模块采用高集成SoC芯片和多模冗余技术。
6.根据权利要求1所述的一种基于VPX架构的运载火箭通用一体化电子系统,其特征在于,所述通用化模块包括配电模块,所述配电模块实现一次电源的配电功能。
7.根据权利要求1所述的一种基于VPX架构的运载火箭通用一体化电子系统,其特征在于,所述通用化模块包括电源模块,所述电源模块将一次电源变换为二次电源或三次电源。
8.根据权利要求1所述的一种基于VPX架构的运载火箭通用一体化电子系统,其特征在于,所述通用化模块包括采集模块,所述采集模块包括GNSS采集模块、图像采集模块和传感器采集模块。
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