CN112906180A - 一种电性能仿真设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种电性能仿真设备，其特征在于，所述电性能仿真设备可模拟三大类产品的输入/输出特性电信号，包括阀门类产品、电机类产品和传感器类产品；输出接口包括电压输出模拟、电流脉冲输出模拟、恒流输出模拟、电阻输出模拟和开关输出模拟；输入接口包括阀门类脉冲输入电流模拟、电机类浪涌电流模拟、启动电流输入模拟和正常电流任意波形模拟；还具备模拟恒流、恒阻和恒功率三种工作模式。本发明模拟环控生保系统产品的电性能接口和产品输入输出电特性，完成产品启动特性的实时仿真、任意复杂波形的模拟实现，满足产品正常与故障工况下的测试需求，实现在各种严酷边界条件下产品电性能测试。
Description
技术领域
本发明属于测量与控制领域，涉及一种电性能仿真设备。
背景技术
载人航天任务的各型号飞行器中，环控生保系统是最具载人特色的系统，其产品构成复杂、接口众多、信息关联耦合程度极强，环控生保系统在向飞行器总体交付产品前，必须完成系统内部各产品之间接口匹配性和协调性考核；与其它系统间接口匹配性与协调性考核；系统软件工作流程验证和评价；故障模式及测试性设计工作验证以及系统功能和性能满足设计指标要求的检验。
由于产品数量多，各产品之间研制进度无法整齐划一，不能支持全系统测试。同时，系统内故障模拟方法不易实现、投制故障模拟件花费太大，也一直是系统测试工作的一项难点。
系统测试中，不仅仅要实现产品正常工况下测试，还要考虑在各种严酷边界条件下以及故障工况下电性能测试。目前并没有能够模拟环控生保产品接口的设备；同时也没有现成的故障件产品，导致正常匹配测试、故障模式及测试性验证工作很难开展。
(1)当前采用产品的模样或初样件代替由于进度问题不能按时参加匹配的正样件。模样或初样的代替品大部分与正样状态不能完全一致，有时候需要接口改造，具有花费高、灵活性差等特点。
(2)一直以来，环控生保没有故障模拟设备，无法有效开展故障模式及测试性设计工作验证。当前系统的故障模拟测试方法：采用计算机发指令来实现。比如，模拟风机转速下降故障，采用控制器发送“风机”关指令来实现。这种情况下，控制器软件“掌握”风机的关状态，软件不会对该故障进行自动处理，无法验证系统的故障定位流程，无法对系统的测试性设计进行验证。
发明内容
为解决上述技术问题，一种电性能仿真设备，其特征在于，所述电性能仿真设备可模拟三大类产品的输入/输出特性电信号，包括阀门类产品、电机类产品和传感器类产品；输出接口包括电压输出模拟、电流脉冲输出模拟、恒流输出模拟、电阻输出模拟和开关输出模拟；输入接口包括阀门类脉冲输入电流模拟、电机类浪涌电流模拟、启动电流输入模拟和正常电流任意波形模拟；所述电性能仿真设备还具备模拟恒流、恒阻和恒功率三种工作模式，支持输出/ 输入联动模式、手动调节模式，配有电压/电流公式调节器。
优选地，模拟所述阀门类产品时所述电性能仿真设备模拟阀打开/关闭瞬间输入电流特性和阀门输出开关特性。
优选地，模拟所述电机类产品时所述电性能仿真设备模拟风机、泵类产品的输入和输出电特性。
优选地，模拟所述传感器类产品时所述电性能仿真设备模拟传感器产品输入和输出电特性。
优选地，所述电性能仿真设备包括主设备和从设备，所述主设备包括主控制器及其扩展板，所述从设备由两个第一模拟负载、两个第二模拟负载、第三模拟负载、脉冲信号输出、电压信号输出、电阻信号输出组成；所述主控制器控制所述从设备；所述从设备根据所述主控制器发送的指令实时控制电压、电流、电阻，并向所述主控制器上报当前值；所述主设备和所述从设备之间用串口经光耦隔离通信，所述从设备由专用隔离DC/DC供电；
所述主设备的主板和所述从设备的主板均采用独立CPU结构，数据交换采用串口并联的方式，所述从设备的主板数据响应采用实时中断方式，通信和供电接口采用隔离设计。
优选地，所述第一模拟负载模拟100V供电负载的输入特性，所述第一模拟负载由DC/DC、光耦、CPU和压控恒流源组成；所述CPU根据所述主控制器下发的配置信息，实时监控输入电压，通过D/A控制所述压控恒流源模拟风机、泵等设备的输入电流，所述CPU通过A/D采集当前参数上报所述主控制器。
优选地，所述第二模拟负载模拟27V供电负载的输入特性，所述第二模拟负载由DC/DC、光耦、CPU和压控恒流源组成；所述CPU根据所述主控制器下发的配置信息，实时监控输入电压，通过D/A控制所述压控恒流源模拟风机、泵等设备的输入电流，CPU通过A/D采集当前参数上报所述主控制器。
优选地，所述第三模拟负载模拟12V供电负载的输入/输出特性，所述输入特性为输入电流，所述输出特性包括脉冲、开关、电压或电阻。
本发明电性能仿真设备模拟环控生保系统产品的电性能接口，模拟产品输入输出电特性，完成产品启动特性的实时仿真、任意复杂波形的模拟实现，满足环控生保系统产品正常与故障工况下的测试需求，实现在各种严酷边界条件下产品电性能测试。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的电性能仿真设备的硬件结构图。
具体实施方式
下面将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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明主要研究典型电性能产品的接口特性，运用仿真技术，研制电性能仿真设备，灵活模拟电接口，构建完整的环控生保系统电性能产品仿真环境，满足环控生保系统产品正常与故障工况下的测试需求，实现在各种严酷边界条件下产品电性能测试，完成系统故障模式及测试性设计验证。
根据输入、输出电特性，将环控生保系统电性能产品主要分为阀门类产品、电机类产品和传感器类产品三大类。本发明设备可模拟输入/输出多种特性下电信号：输出接口模拟可实现电压输出模拟、电流脉冲输出模拟、恒流输出模拟、电阻输出模拟、开关输出模拟等；输入接口模拟可实现阀门类脉冲输入电流模拟、电机类浪涌电流模拟、启动电流输入模拟和正常电流任意波形模拟等。具备模拟恒流、恒阻、恒功率的多种工作模式，支持输出/输入联动模式、手动调节模式,同时配有电压/电流公式调节器等。
上述功能设计中，实现产品启动特性的实时仿真、任意复杂波形的模拟实现是技术难题，在设计时还要保证与外部产品的电气隔离，实现高度可靠。阀门类产品、电机类产品和传感器类产品分别可实现以下特性模拟：
a.电机类产品：
(1)模拟风机类产品功耗及输入、输出电特性；
(2)模拟泵类产品功耗及输入、输出电特性；
(3)模拟风机、泵类产品故障情况下的电特性。
b.阀门类产品：
(1)模拟阀门类产品功耗及输入、输出电特性。
(2)模拟阀门类产品故障情况下的电特性。
c.传感器类产品：
(1)模拟传感器类产品功耗及输入、输出电特性。
(2)模拟传感器类产品故障情况下的电特性。
阀门类产品电特性模拟
本发明设备模拟阀门类产品时，主要模拟阀打开/关闭瞬间输入电流特性和阀门输出开关特性。
a.输入电流特性
(1)能够模拟阀类产品电流值为1.3A，时间为80ms～200ms的脉冲；
(2)能够模拟阀门开关信号；
(3)有害气体通风阀是电机驱动阀，能够模拟该阀打开瞬间的上升电流 (启动电流最大值约4.6A，约20ms内达到最大值，400ms左右恢复到稳定值)。
输入电流特性和输出开关特性。
b.输出开关特性
(1)显示阀门类产品的开关状态。通过选择操作，实现阀门类产品的开关指示状态与阀门的开关动作相连或单独受控。特殊的，排气泄压组件与泄压阀组件联动进行泄压，排气泄压组件指示状态与泄压阀组件的开关动作相连或单独受控。
(2)带有输出流量传感器的阀门类产品受气动机械装置控制，通过选择操作，单独受控。
(3)对接压力传感器信号与阀门动作联动，也可手动操作选择压力参数；传感器类产品电特性模拟
本发明设备模拟传感器类产品时，主要模拟各传感器产品输入和输出电特性。
结合传感器的工作原理，根据调理电路对其调理的方法区分，可以将其分成五类分别实现模拟。包括：铂电阻式传感器等效器、输入－输出电压式传感器等效器、排气流量传感器等效器、离子感烟探测器和差定温探测器等效器、冷干风门开度等效器。
(1)模拟温度传感器电阻范围：1000～1194Ω(分三档，电阻值分别为1000 Ω、1077.6Ω、1155.2Ω)，模拟液路温度传感器电阻范围：1000～1116.7Ω (分三档，电阻值分别为1000Ω、1058.2Ω、1116.4Ω)。
(2)模拟传感器的输入电流、功耗，模拟输出电压在0～5V之间的小电流信号。
(3)模拟流量传感器的输入阻值(约为45Ω)，模拟流量传感器输出0～ 25mV电压，输出电阻约为3Ω。
(4)模拟探测器报警时输出电流14±2.5mA，不报警时，离子感烟探测器输出为280±50μA，差定温探测器输出为270±50μA。
(5)模拟冷干风门开度电路产生电压变化为0～5V，等效电阻值为3.5K。
电机类产品电特性模拟
本发明设备模拟电机类产品时，主要模拟风机、泵类产品的输入和输出电特性，包括输入电流特性和输出风机、泵转速特性等。
a.输入电流特性
(1)根据风机、泵类产品上电后输入电流峰值、峰值时间、调节时间以及稳定后电流值等参数，模拟产品实际的输入电流，并产生相对应的功耗。
(2)部分电机类设备在启动时刻具有高频电流，等效器仅模拟其包罗线的电流波形。
(3)仿真单元应能匹配被模拟产品规定的输入电压变化范围，并产生随其波动的输入电流，功耗保持不变。
b.输出模拟特性
(1)仿真单元能够模拟风机、泵工作时的输出转速信号(8～10mA或9～11mA 电流脉冲信号)。转速信号产生电路的所需12V电压由输入电压27V经仿真单元内部DC-DC变换得到。
(2)电动抽吸泵的输出为开关信号，由外部电路提供+12V电压，其输出开关信号为0V/5V的电压脉冲信号。
(3)内回路泵输出部分包含泵压力传感器，由外部电路提供+12V电压，输出0～5V变化的模拟电压。
(4)冷干风机输出部分含有气体流量调节阀，二者均由调理电路提供+12V 电压，输出0～5V变化的模拟电压。
(5)能够通过人工手动设置转速信号、电动抽吸泵的开关信号以及泵压力和气体流量调节开度，也可以受输入电压的联动控制。
由于各模拟负载输入及输出信号之间要求电气隔离，所以整个系统采用主从方式。主设备包括主控制器及其扩展板；从设备由两个第一模拟负载、两个第二模拟负载、第三模拟负载、脉冲信号输出、电压信号输出、电阻信号输出组成。
主控制器负责人机接口，与计算机通信，对从设备的控制等工作。主从之间用串口经光耦隔离通信，从设备由专用隔离DC/DC供电。从设备根据主控制器发送的指令，实时控制电压，电流，电阻等参数，并向主控制器报告当前值。主板和从板均采用独立CPU结构，数据交换采用串口并联的方式，从板数据响应采用实时中断方式。这种多CPU并行处理架构可以大大提高了系统响应的实时性。另外，通信和供电接口都采用隔离设计，可以提高系统的安全性，有效防止故障的传播与扩散。
主控制器负责人机接口，与计算机通信，对从设备的控制等工作。
主控制器采用HR638主板。该主板集成了5寸TFT真彩液晶，触摸屏，键盘，电源管理，串口等功能。主板上集成LCD控制器，同时支持STN和TFT显示屏，可选的显示分辨率(最大支持1024*768点阵)，最多支持24位真彩色模式。集成SD卡接口，外扩存储控制器(EMC)支持SRAM,ROM,Flash,和SDRAM器件。
主设备扩展板采用成品开关电源，将AC220V市电转换为DC5.5V，供系统采用外接电源时使用，还负责将TTL电平转换为485电平，与计算机进行通信。
从设备采用NXP公司的LPC1700系列单片机为核心，对模拟电路进行控制。该系列单片机采用ARM公司的CORTEX－M3内核，集成了FLASH，RAM，AD，DA等功能，实现单芯片解决方案。
通过多个独立的负载实现方案来进行对于不同种类的模拟设备进行输入接口模拟。
第一模拟负载模拟100V供电负载的输入特性，模由DC/DC、光耦、CPU和压控恒流源组成。CPU根据主控制器发送过来的配置信息，实时监控输入电压，通过D/A控制恒流源，达到模拟风机，泵等设备输入电流的功能。CPU通过A/D 采集当前电压，电流等参数报告给主控制器，供其显示储存。为保证发生故障时不损坏外部设备，输入电压经保险管后再接入模拟负载。
第二模拟负载模拟27V供电负载的输入特性，第二模拟负载由DC/DC、光耦、CPU和压控恒流源组成；
第三模拟负载模拟12V供电负载的输入/输出特性，所述输入特性为输入电流，所述输出特性包括脉冲、开关、电压或电阻。模拟12V供电负载的输出信号，包括脉冲，开关、电压，电阻等信号。该部分由DC/DC，CPU，光耦等部分组成。CPU根据主控制器命令输出电压、开关信号、电流脉冲呵电阻信号。
负载的输入模拟电路，主要由DC/DC，光耦，CPU，压控恒流源组成。CPU 根据主控制器发送过来的配置信息，实时监控输入电压，通过DA控制恒流源，达到模拟风机，泵等设备。恒流源电路采用OP07运算放大器作为反馈放大器，控制MOS管的导通电阻，产生相应恒定电流。隔离电源和隔离光耦实现了输入电源、控制指令与外界的隔离。为保证该路发生故障时不损坏外部设备，输入电压经过流保护后再接入模拟负载。输出信号模拟时，同样采用DC/DC电源和光耦实现了输入电源、控制指令与外界的隔离。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种电性能仿真设备，其特征在于，所述电性能仿真设备模拟三大类产品的输入/输出特性电信号，包括阀门类产品、电机类产品和传感器类产品；输出接口包括电压输出模拟、电流脉冲输出模拟、恒流输出模拟、电阻输出模拟和开关输出模拟；输入接口包括阀门类脉冲输入电流模拟、电机类浪涌电流模拟、启动电流输入模拟和正常电流任意波形模拟；所述电性能仿真设备还具备模拟恒流、恒阻和恒功率三种工作模式，支持输出/输入联动模式、手动调节模式，配有电压/电流公式调节器。
2.根据权利要求1所述的一种电性能仿真设备，其特征在于，模拟所述阀门类产品时，所述电性能仿真设备模拟阀打开/关闭瞬间输入电流特性和阀门输出开关特性。
3.根据权利要求2所述的一种电性能仿真设备，其特征在于，模拟所述电机类产品时，所述电性能仿真设备模拟风机、泵类产品的输入和输出电特性，包括输入电流特性和输出风机、泵转速特性。
4.根据权利要求3所述的一种电性能仿真设备，其特征在于，模拟所述传感器类产品时，所述电性能仿真设备模拟传感器产品输入和输出电特性。
5.根据权利要求1所述的一种电性能仿真设备，其特征在于，所述电性能仿真设备包括主设备和从设备，所述主设备包括主控制器及其扩展板，所述从设备由两个第一模拟负载、两个第二模拟负载、第三模拟负载、脉冲信号输出、电压信号输出、电阻信号输出组成；
所述主控制器负责人机交互、与计算机通信，所述主控制器控制所述从设备；所述从设备根据所述主控制器发送的指令实时控制电压、电流、电阻，并向所述主控制器上报当前值；所述主设备和所述从设备之间用串口经光耦隔离通信，所述从设备由专用隔离DC/DC供电；
所述主设备的主板和所述从设备的主板均采用独立CPU结构，数据交换采用串口并联的方式，所述从设备的主板数据响应采用实时中断方式，通信和供电接口采用隔离设计。
6.根据权利要求5所述的一种电性能仿真设备，其特征在于，所述第一模拟负载模拟100V供电负载的输入特性，所述第一模拟负载由DC/DC、光耦、CPU和压控恒流源组成；所述CPU根据所述主控制器下发的配置信息，实时监控输入电压，通过D/A控制所述压控恒流源模拟风机、泵等设备的输入电流，所述CPU通过A/D采集当前参数上报所述主控制器。
7.根据权利要求5所述的一种电性能仿真设备，其特征在于，所述第二模拟负载模拟27V供电负载的输入特性，所述第二模拟负载由DC/DC、光耦、CPU和压控恒流源组成。
8.根据权利要求5所述的一种电性能仿真设备，其特征在于，所述第三模拟负载模拟12V供电负载的输入/输出特性，所述输入特性为输入电流，所述输出特性包括脉冲、开关、电压或电阻。
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