基于1553B总线的运载火箭供电测控系统设计

祝　伟，张金刚，张佳宁，徐林丰，张跃林

（北京宇航系统工程研究所，北京　100076）

基于1553B总线的运载火箭供电测控系统设计

祝伟，张金刚，张佳宁，徐林丰，张跃林

（北京宇航系统工程研究所，北京100076）

新一代运载火箭采用低温动力技术，测量系统获取飞行过程遥测参数的同时，需要完成火箭发射前低温推进剂加注期间压力、温度等关键参数的可靠获取；相比传统火箭，对测量系统在供配电和地面测控的可靠性设计、连续工作时间、测试性、扩展性和箭地接口设计提出了较高要求，对此文中提出了一种基于1553B总线的供电测控系统，介绍了系统的硬件和软件组成、功能和测控信息流向，分析了系统设计的4项关键技术：单机设备智能化设计、箭地接口简化设计、总线通信协议和高可靠PXI冗余备份设计；设计的新型供电测控系统在新一代运载火箭各项大型地面试验中成功实现了工程应用，系统方案设计的正确性得到了充分验证，系统方案在其他项目中得到了推广。

供电测控；智能化设计；1553B总线；PXI冗余备份

0　引言

传统运载火箭测量系统供电测控子系统（以下简称供电测控系统）箭地连接采用导线直连方式［1］完成测控信号的传递，在供电测控系统需求简单、配电控制分路少、测试性要求有限的情况下，能够满足系统供电测控的需求。采用这种方式的缺点是：火箭对于供电测控需求多样化、配电控制路数增加、测试性要求更高时，箭地供电测控电连接器、线缆的规模数量和复杂度都急剧增加。

新一代运载火箭采用低温推进技术，发射前加注和飞行过程中测量系统较传统火箭承担了更多功能，火箭总体对于测量系统性能的要求也越来越高，主要体现在：

1）满足运载火箭低温推进剂加注到起飞前关键参数的长时高可靠获取；

2）能够对全箭分区域、分功能进行局部测量；

3）火箭故障时能够提供可靠测量数据；

4）能够兼顾后续其它构型的测量需求；

5）箭地接口简化，适应火箭减重需要；

6）前后端远距离地面测发控。

为了满足总体要求，供配电测控系统箭地间采用了基于1553B总线取代传统的大量配电控制和测量线路，供配电设备进行智能化设计，不同类型的单机通过统一的1553B总线接口接入供配电总线，接收总线传来的供电控制指令，完成配电任务；同时，将内部检测电路采集的信息编码后传给总线，用于地面实时监测与控制。

系统需求的变化对供电测控系统测控功能变化可归纳为：

1）传统的统一供电控制发展成按照区域、功能进行分路控制；

2）箭上供配电设备信号监测由原来的直连导线地面测量变为由箭上单机内部采集电路完成，箭地传输信号由模拟信号变成编码后的数字信号，提高测试覆盖性的同时简化箭地接口；

3）统一的测控接口为供电测控系统后续扩展提供可能。

供电测控系统由硬件部分和软件部分组成，需要解决设备智能化、箭地接口、测控协议和PXI（以下简称PXI）冗余备份设计等关键技术。

1　系统组成

1.1硬件组成

基于1553B总线的供电测控系统组成见图1，系统主要由BC（PXI）和RT（配电控制组合、配电器1、配电器2）组成。

1553B总线控制器BC由两台热备冗余的PXI（1553B板卡）承担，PXI作为地面测发控的前端供电控制主机，通过冗余的以太网口接收后端测控主机发送的远程供电指令，完成指令代码解析，并根据指令要求通过1553B总线向箭地供配电设备发送供电控制指令。BC同时周期性接收总线上不同供配电设备终端采集传输的供配电状态信息数据，完成数据解析，并以约定的数据报格式打包，通过以太网向测量系统供配电测控主机进行转发。运行中的PXI（主机）将采集的主机状态信息实时传给非运行状态的PXI（从机），从机对主机数据进行存储，并实时进行故障判断，故障状态下无缝切换，接替故障主机完成总线系统管理。

箭上供配电单机设备配电器1和配电器2分别安装在火箭的一级和二级，具有统一的1553B接口，是箭上实现箭供配电控制与状态监测的关键设备。配电器内部设计1553B总线接口电路和控制电路，执行机构采用传统飞行试验的高可靠电磁继电器。在地面测试的各个阶段，处于火箭不同位置的配电器，接收1553B总线传来的供电控制指令，完成地面供电转箭上供电、断箭上供电等箭供供电控制，对配电器内部采集的模拟量和状态量参数按照统一的供配电信息编码原则进行编码，编码后的数据信息通过1553B总线发送给PXI。飞行过程中，通过设计箭供继电器自保持电路，确保箭上设备供电的可靠性。

图1　基于1553B总线的供电测控系统组成图

配电控制组合提供箭上设备地供供电控制，地面测试过程中还承担模拟箭供的转接任务，是传统的配电组合和控制组合进行一体化设计后的产品。为提高地供长时供电可靠性，配电控制组合内部设计冗余的两个RT接口电路，统一接入1553B总线系统，接收总线发送的供电控制指令，经判断正确后执行地供控制，为箭上不同负载提供分路供电。同时，配电控制组合内部的配电单元也进行冗余设计，两组配电单元的电磁继电器触点垂直安装，确保设备在发射过程中可靠工作。

1.2软件组成

基于1553B总线系统的供电测控系统包含供电单机嵌入式软件和供电测控管理软件。

配电器1、2和配电控制组合内采用DSP+CPLD方式实现控制指令和测量信息的双向交互。DSP运行的嵌入式软件在TI公司的CCS软件上开发完成，实现指令解析和数据编码；CPLD运行的嵌入式软件使用VHDL语言编程开发，将AD采集信息的串行数据变换为并行数据并送DSP编码，并将DSP编码后的数据送1553B总线接口芯片，按照不同格式编码后送出；CPLD嵌入式软件将1553B总线芯片的有效数据进行前期处理，并送DSP进行解析；收到DSP解析后的控制指令数据，送配电控制继电器的驱动放大部分完成放大，由继电器实现指令执行。

供电测控软件由运行在前端（地面测发控前端）PXI前置测控软件和运行在后端（地面测发控后端）的综合测控软件组成，PXI前置测控软件和综合测控软件通过以太网口实现信息交互。

前置测控软件为基于Microsoft Visual Studio2005平台开发，采用C++作为编程语言，设计功能为：

1）总线BC的调度控制功能；

2）PXI模拟量、数字量板卡数据采集编码；

3）总线数据的采集功能；

4）故障检测与诊断；

5）故障状态下PXI冗余切换等功能；

6）以太网通信功能。

综合测控软件基于集成化、支持二次配置的组态化软件平台进行开发，由配置文件编辑模块、实时测控模块和测试数据分析模块3部分组成。设计功能为：

1）指令、判据、测试流程的自定义配置功能；

2）通信协议配置功能；

3）数据分析功能；

4）网络通信功能；

5）图形化显示功能。

2　系统关键技术

2.1单机设备智能化设计

供配电单机设备智能化设计是实现基于1553B总线的供电测控系统的基础，以1553B总线为核心的新型供配电单机设备（配电器、配电控制组合）通用原理图见图2。

图2　供配电单机设备原理图

供配电单机设备包含信息处理模块（DSP、CPLD）、总线通信模块（1553B）、驱动及执行模块、参数检测模块、电源模块和应急指令转换模块。

信息处理模块含DSP和CPLD两个部分，DSP采用TI公司的TMS320F2812芯片，接收CPLD输入的数据进行指令数据和测量数据处理，处理结果送CPLD芯片进一步对外发送。CPLD选用ISPLSI1048（具体型号根据实际逻辑使用资源需求选用），CPLD接收参数检测模块、1553B总线、RS422总线传来的串行数据，进行数据串并转换，并发送给DSP进一步处理；同时将DSP输出的并行数据转换成串行数据传给总线接口电路、参数采集模块和驱动电路。

1553B总线通信模块选用BU-61580芯片，将CPLD传来的数据按照1553B总线协议规定的数据格式进行编帧，并完成编帧数据的发送；对1553B总线传来的数据帧解析，将传输的有效数据发给CPLD。RS422总线通信用于在火箭飞行过程中将DSP和CPLD处理完成的信息数据按照RS422总线标准送出给其它数据综合设备。

驱动模块接收CPLD传输的解码后的指令数据，通过OC门集成电路直接驱动固态继电器执行开关命令，固态继电器内部驱动电路与开关执行电路具有隔离功能；电磁继电器需要大于100 mA的驱动电流确保开关动作可靠执行，CPLD输出的指令信号采用达林顿管进行驱动信号放大后驱动电磁继电器线圈，CPLD与达林顿管之间采用光耦进行信号隔离。

执行模块在驱动模块的驱动下，将地供母线分路或统一向箭上设备供应。

参数检测模块包含模拟量采集和数字量采集，模拟量采集对象有电压量和电流量，电流检测采用霍尔电流测量器件完成，输出0～5 V的电压量。模拟量采集采用ADI公司的16位芯片AD7656，采样精度为16位，最高采样频率250 k Hz，AD采集数据经数字隔离器隔离后送CPLD，数字隔离器选用ADI公司的Adu M系列芯片，单片可实现4路数字信号隔离。模拟量采集后采用状态量采用光耦隔离方式实现隔离采集。

应急指令转换模块接收外部直连导线传输的控制信号，直接驱动执行继电器的驱动部分电路，独立于总线传输的指令完成紧急状态下的供电控制。电源模块向单机设备内部各模块设备进行供电。

2.2箭地接口设计

箭地接口主要完成供电和信号传输作用，与传统火箭相比，由于采用了1553B总线作为箭地指令及测控信号传输的途径，箭地接口需选用成熟的混装型分离电连接器进行电气连接，该连接器包含了2个双同轴端子和多组低频端子，双同轴端子用于传输1553B总线信号，低频端子用于传输地面供电。

采用1553B总线后，箭上测控信号传输线缆的复杂度和电连接器接点数量实现了最大程度地简化，箭地接口电连接器的点数从方案设计的512点减少到182点，有利于火箭减重。

2.3测控协议设计

供电测控协议为PXI与配电器、配电控制组合之间的1553B总线协议。供电测控系统组成见图1，供配电系统通过1553B总线实现各设备的拓扑连接。PXI为1553B总线控制器BC，配电器、配电控制组合作为总线远程终端RT，供配电系统可包含两台PXI设备和3台供配电设备，不同的供配电设备分配不同的RT地址。

图3　供配电测控指令协议组成图

PXI通过1553B总线向配电器、配电控制组合发送供配电指令，供配电指令组成见图3，对于地址为N的RT，供配电指令为BC-＞RTN子地址1的消息，该消息携带1个数据字，数据字的16位分别控制该设备内部的16路供配电输出继电器，1—闭合继电器，0—打开继电器。PXI（BC）发送配电指令时，同一指令采取连续重发7次的方式，RT对接收到的7条指令进行判断，若相同指令数量大于4次，则认为该指令有效并执行；若少于4次，认为该指令为无效指令，向BC返回“指令错误”消息。

RT将子地址2内的首个数据字作为供配电状态字，在执行完供配电指令后，供配电状态字相应的位表征当前的供配电状态，并返回给BC。

单机设备内部的参数检测模块检测电路的工作参数，并将参数数据通过1553B总线发送到PXI。多RT的1553B总线系统，为保证多个设备的时间同步，PXI通过发送同步命令实现各设备的工作同步，同步命令为BC—＞RTS的广播消息，该消息为时间同步方式消息。RT在接收到该消息后，启动一个周期的数据采集，获取参数数据。RT将采集的参数数据放置在子地址3起始的数据区中，供BC读取。每个RT子地址内最多可包含32字数据，如果每条参数信息占用1个字，1条消息可传输32个参数信息。如果RT设备测量参数大于32路，参数数据可依次放置在子地址4、子地址5等顺序子地址内。PXI在供配电设备完成一个周期的数据采集后，通过RTN—＞BC消息获取RTN的参数数据。

2.4PXI冗余备份设计

PXI作为1553B总线的BC，同时完成地面供配电设备的参数测量，在特殊环境下需要承受十分苛刻的环境条件，为了确保工作可靠性，采用两台相同的PXI构成对等的主从式双机热备冗余测控系统［2］，能够适应长时间工作时间的要求。双PXI热备冗余结构见图4，主从PXI之间通过冗余的以太网接口进行数据交互。

图4　双PXI热备冗余测控体系结构图

系统工作起始，先开机者作为主PXI承担1553B总线的BC功能，完成供电控制任务，同时接收供电检测信息，重新编帧后向从PXI及远程控制台进行转发。当主PXI正常运行时，从PXI启动时，主PXI将实时数据及其本机监测信息发送到从PXI，完成实时数据的热备份，然后主从PXI同步，暂停主PXI数据向从PXI的记录工作，从PXI将缺失的主PXI的历史记录文件通过网络拷贝到本地，完成历史数据的热备份。历史数据文件备份完成后，主从PXI转入正常工作状态。

正常工作时，主PXI承担总线BC和地面供配电设备测试任务，从PXI处于待机状态，负荷较小。主PXI通过1553B板卡与1553B总线进行数据交换，将采集到的历史数据记录在本机存储器中，并产生报警和事件信息。从PXI监听总线上的数据传输情况，同时通过以太网从主PXI获取实时数据和报警信息，存储到本地存储器中，而不产生自身报警信息。主PXI与从PXI每隔一段时间对本机工作状态进行循环检测，并通过同步数据路径向对方发送状态良好性信息，同时接收来自对方的状态信息，若从PXI发送一段检测信号后，主PXI在一定时间内未应答，则视为主PXI出现故障，此时从PXI立即启用备份数据，切断与主PXI的网络数据传输，并接替主PXI的工作，成为新主PXI。主从切换时，主PXI被屏蔽。此后，新主PXI还会定时监听故障机状态，一旦故障机恢复就进入热备状态，通过这种方式再次实现热备份。

3　试验结果与分析

使用负载等效器模拟箭上负载工作状况，对供电测控系统进行供电等效联调试验，试验内容包括：

1）电源单机功能自检；

2）电缆网短接和绝缘检查；

3）网络功能检查；

4）供配电总线功能自检；

5）总线供电测控等效检查；

6）手动及应急供电测控检查。

试验结果表明：

1）基于总线的供电测控系统很好的实现了按照区域、功能进行分路供电控制功能；

2）箭上单机由内部采集电路完成自身信号检查，数字信号的传输方式获得了更全面的状态监测信息，为自动化检测提供了数据基础；

3）冗余备份设计极大了提高了系统的平均无故障工作时间，提供了供电测控系统长时间工作的可靠性；

4）成功建立了统一的测控接口和测控协议，为供电测控系统后续扩展提供可能，基于总线的供电测控系统较好的满足了新一代运载火箭对供电测控的需求。

4　结束语

基于1553B总线的供电测控系统通过采用供配电单机智能化设计、供电测控总线协议设计、箭地接口设计和PXI热备冗余设计，满足了总体对测量系统长时间高可靠性工作的要求，简化了箭地接口关系，大大减少了箭地测控电缆的重量，实现了对多路负载的分路供电，同时大大提高了系统的测试覆盖性，可靠性高，扩展性能良好。

目前该供配电测控系统已经在新一代运载火箭各项大型地面试验中发挥了重要作用，在其它型号研制中得到了推广，成为新型运载火箭测量系统供电测控子系统设计的参考模型。

［1］王清利.新型运载火箭遥测供配电系统设计与实现途径［J］.导弹与航天运载技术，2000，（4）：5-12.

［2］陈志红，祝伟，兰波，等.基于状态同步索引的 PXI双机热备冗余技术 ［A］.第十九届测试与故障诊断技术研讨会［C］.张家界，2010 （5）.

［3］周远林，吴忠，丑武胜.基于BU-61580的1553B总线接口设计 ［J］计算机工程与应用，2008（35）：65-68.

Design of a Power Supply and Monitoring System for Space Launch Vehicle Based on 1553B Bus

Zhu Wei，Zhang Jingang，Zhang Jianing，Xu Linfeng，Zhang Yuelin
（Beijing Aerospace System Engineering Research Institute，Beijing100076，China）

As Cryogenic Power System being used in the design of the new generation launch vehicle，more and higher requirements for reliability、continuous working time、testability、expansibility and interface relationship have been put forward to the design of power supply monitoring subsystem in the Measuring System of new launch vehicle.A new power supply monitoring subsystem design based on 1553B bus is proposed to achieve these requirements.In this article，the overall scheme hardware and software are shown，parts of the key technologies used in the system are discussed：intelligentizing of power equipments，interface design between space launch vehicle and ground-monitoring system，protocol of power supply monitoring subsystem and dual-PXIs redundant warm backup.This new power supply system has been successfully passed all the large-scale test for the new generation launch vehice，and has been promoted in other projects.

power supply and monitoring；intelligentizing；1553B bus；dual-PXIs redundant warm backup

1671-4598（2016）05-0021-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.007

TN98

A

2015-10-23；

2016-01-04。

祝伟（1983-），男，陕西乾县人，工程师，主要从事测量系统供配电和地面测控系统设计方向的研究。