專利名稱：一種用于運載火箭地面測試發(fā)控系統(tǒng)的冗余切換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通用的火箭地面測試發(fā)控系統(tǒng)雙冗余熱備份切換電路，實現(xiàn)了雙
冗余熱備份測控系統(tǒng)的"自動"和"手動"遠(yuǎn)距離無擾動切換。
背景技術(shù)：
在運載火箭地面測試發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計中，通用的測控設(shè)備應(yīng)用廣泛，如PXI、 CPCI、PXI等，然而這些通用的測控設(shè)備不支持雙冗余熱備份功能，在航天領(lǐng)域，為確保零窗口發(fā)射，必須保證設(shè)備具有很高的可靠性，因此，必須采用雙冗余熱備份設(shè)計措施，以保證測試發(fā)控系統(tǒng)能夠長時間連續(xù)可靠運行，保證射前無人值守情況下設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。
現(xiàn)有CPCI、 PXI等測控設(shè)備均不支持雙冗余熱備份，因此一套設(shè)備故障情況下，只能斷電后進(jìn)行更換，影響測控系統(tǒng)流程的連續(xù)性，這一現(xiàn)狀不滿足運載火箭地面測試發(fā)控系統(tǒng)高可靠的要求；對于射前無人值守的情況下，更換所需要的時間更長，不滿足射前測試和發(fā)射的流程要求；對于關(guān)鍵的控制指令，如"貯箱增壓控制"指令，若測控設(shè)備失效，重則會造成箭毀人亡的后果，測控設(shè)備不采取冗余設(shè)計，不滿足運載火箭高安全性的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決的問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于運載火箭地面測試發(fā)控系統(tǒng)的冗余切換電路，實現(xiàn)了 "手動"和"自動"無擾動切換，切換機(jī)理明確，保證了測試發(fā)控系統(tǒng)輸出無擾動，確保整個測控系統(tǒng)的可靠性和安全性。解決了通用測控設(shè)備可靠性低，難以保證火箭射前無人值守的難題，滿足了運載火箭對地面測試發(fā)控系統(tǒng)的高可靠性和安全性要求。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種用于運載火箭地面測試發(fā)控系統(tǒng)的冗余切換電路，其特征在于主要由FPGA模塊、單片機(jī)、切換繼電器和手動切換開關(guān)組成
FPGA模塊實現(xiàn)自動切換和以太網(wǎng)切換功能，以太網(wǎng)切換優(yōu)先級高，即在上電后，實時接收主從機(jī)發(fā)送的心跳信號，如果檢測到主機(jī)心跳信號正常，則不進(jìn)行切換操作，如果檢測到主機(jī)心跳信號停止，且從機(jī)心跳信號正常，則實施自動主從切換，如果檢測到主機(jī)心跳信號停止，且從機(jī)心跳信號停止，則不進(jìn)行切換操作；當(dāng)接收到單片機(jī)發(fā)送過來的以太網(wǎng)切換信號時，則實施切換； 單片機(jī)接收以太網(wǎng)接口信號，并將該信號傳送給FPGA模塊，同時接收來自FPGA模塊的主從機(jī)工作狀態(tài)，并實時顯示； 放大電路接收FPGA模塊的輸出信號，并進(jìn)行功率放大；
繼電器接收放大電路的驅(qū)動信號，執(zhí)行動作； 手動開關(guān)用于應(yīng)急狀態(tài)下有人參與的手動切換，手動切換的優(yōu)先級最高。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于 (1)切換電路可靠性高、機(jī)理清楚，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)有人干預(yù)情況下的"手動"和以太網(wǎng)切換，而且能夠?qū)崿F(xiàn)故障情況下的"自動"切換；
(2)通過試驗表明，本發(fā)明的系統(tǒng)冗余切換無擾動，不影響被動對象的執(zhí)行狀態(tài)，保證了發(fā)射場設(shè)備的安全性和工作的有效性。


圖1為雙冗余熱備份測試發(fā)控系統(tǒng)組成示意圖； 圖2為切換電路框圖； 圖3為FPGA模塊實現(xiàn)流程圖。
具體實施例方式
—種應(yīng)用本發(fā)明切換電路的地面測試發(fā)控系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示，主要設(shè)備有程控計算機(jī)、交換機(jī)、主從測控組合，切換控制裝置和被測控對象。
(1)程控計算機(jī)程控計算機(jī)的主要作用是通過交換機(jī)將控制指令發(fā)送至主從測控組合，同時，可以通過交換機(jī)將切換指令發(fā)送至切換控制組合，實現(xiàn)遠(yuǎn)程以太網(wǎng)切換；
(2)交換機(jī)實現(xiàn)程控計算機(jī)與主從測控組合，程控計算機(jī)與切換控制裝置之間的通信； (3)主從測控組合測控組合(主)和測控組合(從)是通用的測試發(fā)控設(shè)備，獨立封裝，同步運行，主、從測控設(shè)備工作正常時，主系統(tǒng)輸出，從系統(tǒng)輸出屏蔽；主系統(tǒng)工作故障情況下，無縫切換至從系統(tǒng)工作； (4)切換控制裝置切換控制裝置是該方法的核心設(shè)備，本發(fā)明的切換電路安裝在該裝置中，該裝置的主要作用是將被測控對象的測試信號一分為二，傳輸至主從測控組合中，同時，通過本發(fā)明的切換電路，實現(xiàn)對主從輸出的屏蔽和打開功能，實現(xiàn)主從測控組合的無擾動切換；對輸入信號而言，實現(xiàn)一分為二功能技術(shù)成熟，因此不是本文的創(chuàng)新點。對運載火箭地面測試發(fā)控系統(tǒng)而言，最為關(guān)鍵的是開關(guān)量輸出切換，要防止輸出誤動作，必須保證切換過程中，開關(guān)量輸出保持不變。因此，本發(fā)明的重點是輸出的切換控制電路。
(5)被測控對象被測控對象是地面測試發(fā)控系統(tǒng)的服務(wù)對象，地面測試發(fā)控的主要作用就是測量被測控對象的模擬量和開關(guān)量信號，同時按照測控組合的控制指令執(zhí)行相應(yīng)的動作。
本發(fā)明切換電路實現(xiàn)的功能包括手動切換、自動切換和以太網(wǎng)遠(yuǎn)程切換。對火箭地面測試發(fā)控系統(tǒng)而言，最為關(guān)鍵的是開關(guān)量輸出切換，要防止輸出誤動作，必須保證切換過程中，開關(guān)量輸出保持不變。因此，要保證系統(tǒng)輸出無波動。
1、手動切換 a、手動切換是當(dāng)自動切換發(fā)生問題時，作為保障性切換的手段； b、手動切換具有最高的優(yōu)先級，當(dāng)執(zhí)行手動切換時，自動切換和以太網(wǎng)切換都無效。 手動切換在整個切換過程中具有最高的指令級別，首先按下手動切換按鍵，控制磁保持繼電器G6AK274P觸點由默認(rèn)的自動控制通道改為手動控制通道，這時自動切換無效。使用磁保持繼電器的優(yōu)點是即使在斷電的情況下，觸點的連接情況也不會發(fā)生變化，具有較高的可控性。然后再按下選擇主機(jī)或從機(jī)的按鍵，就是控制另一個磁保持繼電器G6AK274P，控制主從切換，手動切換可以根據(jù)需要連續(xù)的切換主機(jī)或從機(jī)工作。
2、自動切換要點 a、自動切換檢測在上電一定時間之后開始(主要目的是防止上電過程中系統(tǒng)未進(jìn)入正常運行狀態(tài)而產(chǎn)生誤切換，該時間可以自行設(shè)定，如300秒)； b、設(shè)定心跳信號頻率，如5kHz(該時間長度，可以根據(jù)系統(tǒng)具體需要進(jìn)行適應(yīng)性修改，具有很強的通用性)； c、主機(jī)的心跳信號停止發(fā)送50ms (該時間可以通過FPGA修改，具有靈活性和通用性)，而從機(jī)的心跳信號沒有停止，給出切換命令； d、主從機(jī)心跳信號都停止時，系統(tǒng)不切換。為了保障切換的可靠性，自動切換只是將主機(jī)切換到從機(jī)，要將從機(jī)切換至主機(jī)，必須通過手動切換按鈕或網(wǎng)絡(luò)切換按鈕完成。
自動切換指令由FPGA XC200PQ5I產(chǎn)生。切換電路在默認(rèn)狀態(tài)，是自動切換有效。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在上電的初始300s后，F(xiàn)PGA才啟動自動切換程序。主機(jī)的心跳信號停止發(fā)送50ms，而從機(jī)的心跳信號沒有停止，給出切換命令。主從機(jī)心跳信號都停止時并不切換，并且為了保障切換的可靠性，自動切換只是將主機(jī)切換到從機(jī)，只進(jìn)行一次切換。切換信號由FPGA發(fā)出后，經(jīng)驅(qū)動芯片ULN2803后，控制輸出主從通道繼電器G6H-2觸點動作，輸出通道就轉(zhuǎn)由從機(jī)控制。 為了便于遠(yuǎn)程控制，自動切換通道除了可以自行工作外，還可以通過兩路冗余的網(wǎng)絡(luò)通道去人為干預(yù)，由于切換命令也是有FPGA給出，控制通道與自動切換通道有部分重合的。以太網(wǎng)的實現(xiàn)為了保證可靠性，由工作溫度達(dá)到軍品級的單片機(jī)C8051F021帶兩個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片W3150實現(xiàn)，以太網(wǎng)協(xié)議選用tcp，從機(jī)作client,切換裝置作server。當(dāng)從機(jī)通過以太網(wǎng)給出指令0x72， FPGA就給出切換命令，將主機(jī)切換到從機(jī)，并且只進(jìn)行一次切換。 3、以太網(wǎng)切換要點 a、網(wǎng)絡(luò)切換通道可以實現(xiàn)主從機(jī)之間的雙向切換，通過FPGA給出切換命令；
b、以太網(wǎng)協(xié)議選用TCP/IP，從機(jī)作客戶端(client)，切換裝置作服務(wù)器(server); c、當(dāng)從機(jī)通過以太網(wǎng)給出指令，F(xiàn)PGA就給出切換命令，將主機(jī)切換到從機(jī)，并且只進(jìn)行一次切換。 切換電路如圖2所示，在自動切換裝置工作時，由FPGA實時檢測來自主從機(jī)(主從測控組合)的心跳信號， 一旦檢測到心跳信號不正常，則通過FPGA程序邏輯輸出，經(jīng)放大電路(三極管)放大后驅(qū)動繼電器A動作(繼電器A默認(rèn)狀態(tài)為主機(jī)連接狀態(tài))，實現(xiàn)切換，單片機(jī)采集FPGA的動作狀態(tài)，并實時顯示在切換裝置的顯示屏上，指示主從機(jī)的工作狀態(tài)。 網(wǎng)絡(luò)控制主從機(jī)切換，當(dāng)切換裝置工作在自動切換狀態(tài)時，通過遠(yuǎn)端控制計算機(jī)
的網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)由主機(jī)將切換主從機(jī)的信號發(fā)到切換控制裝置，完成主從機(jī)輸出開關(guān)量的切換。
網(wǎng)絡(luò)切換指令通過程控計算機(jī)發(fā)出，該指令經(jīng)交換機(jī)通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送至切換裝置中
的單片機(jī)，由單片機(jī)接收判斷后將切換指令發(fā)送至FPGA芯片，通過FPGA邏輯程序輸出，放
大后驅(qū)動繼電器A動作(繼電器A默認(rèn)狀態(tài)為主機(jī)連接狀態(tài))，實現(xiàn)切換控制； 本地手動主從機(jī)切換為保證遠(yuǎn)控通道故障時的切換控制和本機(jī)調(diào)試使用，在控
制裝置面板上安裝有一個本地控制開關(guān)，可在本地直接實現(xiàn)主從機(jī)輸出的切換。其中K3為手動/自動選擇開關(guān)，手動切換按鈕按下后，繼電器A線包帶電，實現(xiàn)切換。
三種切換模式的最終目的是控制主測控組合輸出有效還是從測控輸出有效，對被控對象而言，是不透明的，在切換過程中，無論是主測控組合輸出有效還是從測控組合輸出有效，被控對象的工作狀態(tài)一致。 圖2中，主從測控組合輸出板卡為主從機(jī)中安裝的輸出板卡模塊，輸出信號經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)繼電器動作(如，圖2中表示的，主測控組合繼電器)輸出給被控對象；主機(jī)輸出有效還是從機(jī)輸出有效受到本發(fā)明切換電路的控制，正常情況下，主機(jī)輸出有效，主從切換后，從機(jī)輸出有效。圖2中所示的被控對象為2路，實際中被控對象可以根據(jù)需求設(shè)定，本發(fā)明的切換電路并不改變。 如圖3所示，為FPGA模塊實現(xiàn)流程圖，實現(xiàn)自動切換和以太網(wǎng)切換功能，以太網(wǎng)切換優(yōu)先級高，即在上電后，實時接收主從機(jī)發(fā)送的心跳信號，如果檢測到主機(jī)心跳信號正常，則不進(jìn)行切換操作，如果檢測到主機(jī)心跳信號停止，且從機(jī)心跳信號正常，則實施自動主從切換，如果檢測到主機(jī)心跳信號停止，且從機(jī)心跳信號停止，則不進(jìn)行切換操作；當(dāng)接收到單片機(jī)發(fā)送過來的以太網(wǎng)切換信號時，則實施切換； 地面測試發(fā)控系統(tǒng)雙冗余測控設(shè)備協(xié)同有機(jī)運行，冗余設(shè)備獨立封裝，同步運行，主、從系統(tǒng)工作正常時，主系統(tǒng)輸出，從系統(tǒng)輸出屏蔽；主系統(tǒng)工作故障情況下，無縫切換至從系統(tǒng)工作。手動切換的優(yōu)先級高于自動切換，通過手動切換可實施雙向切換，通過自動切換只能實現(xiàn)單向切換。 本發(fā)明用于地面測試發(fā)控系統(tǒng)后，測試人員進(jìn)行了試驗，通過主從切換后開關(guān)量輸出狀態(tài)指示圖看出。而且切換過程中，第l路繼電器由于從機(jī)也是高電平，繼電器始終閉合且沒有抖動。通過等效器上輸出狀態(tài)指示燈的顯示，通過測試人員觀察，指示燈狀態(tài)無變化。說明主從切換時不影響負(fù)載的執(zhí)行情況，不影響動力系統(tǒng)被控閥門的輸出狀態(tài)。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
一種用于運載火箭地面測試發(fā)控系統(tǒng)的冗余切換電路，其特征在于主要由FPGA模塊、單片機(jī)、切換繼電器和手動切換開關(guān)組成FPGA模塊實現(xiàn)自動切換和以太網(wǎng)切換功能，以太網(wǎng)切換優(yōu)先級高，即在上電后，實時接收主從機(jī)發(fā)送的心跳信號，如果檢測到主機(jī)心跳信號正常，則不進(jìn)行切換操作，如果檢測到主機(jī)心跳信號停止，且從機(jī)心跳信號正常，則實施自動主從切換，如果檢測到主機(jī)心跳信號停止，且從機(jī)心跳信號停止，則不進(jìn)行切換操作；當(dāng)接收到單片機(jī)發(fā)送過來的以太網(wǎng)切換信號時，則實施切換；單片機(jī)接收以太網(wǎng)接口信號，并將該信號傳送給FPGA模塊，同時接收來自FPGA模塊的主從機(jī)工作狀態(tài)，并實時顯示；放大電路接收FPGA模塊的輸出信號，并進(jìn)行功率放大；繼電器接收放大電路的驅(qū)動信號，執(zhí)行動作；手動開關(guān)用于應(yīng)急狀態(tài)下有人參與的手動切換，手動切換的優(yōu)先級最高。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于運載火箭地面測試發(fā)控系統(tǒng)的冗余切換電路，其特征在于所述FPGA模塊在上電300s后，才啟動工作，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于運載火箭地面測試發(fā)控系統(tǒng)的冗余切換電路，其特征在于所述步驟(1)中如果檢測到主機(jī)心跳信號停止，且從機(jī)心跳信號正常，則實施自動主從切換時，要求主機(jī)的心跳信號停止時間為50ms-60ms。
全文摘要
一種用于運載火箭地面測試發(fā)控系統(tǒng)的冗余切換電路，主要由FPGA模塊、單片機(jī)、切換繼電器和手動切換開關(guān)組成FPGA模塊實現(xiàn)自動切換和以太網(wǎng)切換功能，以太網(wǎng)切換優(yōu)先級高；單片機(jī)接收以太網(wǎng)接口信號，并將該信號傳送給FPGA模塊，同時接收來自FPGA模塊的主從機(jī)工作狀態(tài)，并實時顯示；放大電路接收FPGA模塊的輸出信號，并進(jìn)行功率放大；繼電器接收放大電路的驅(qū)動信號，執(zhí)行動作；手動開關(guān)用于應(yīng)急狀態(tài)下有人參與的手動切換，手動切換的優(yōu)先級最高。保證了測試發(fā)控系統(tǒng)輸出無擾動，確保整個測控系統(tǒng)的可靠性和安全性。解決了通用測控設(shè)備可靠性低，難以保證火箭射前無人值守的難題，滿足了運載火箭對地面測試發(fā)控系統(tǒng)的高可靠性和安全性要求。
文檔編號G05B19/048GK101782754SQ200910243289
公開日2010年7月21日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者劉巧珍, 張學(xué)英, 徐晨, 徐洪平, 沈海闊 申請人:北京宇航系統(tǒng)工程研究所