1 引言

固体火箭发动机地面试验是一种不可逆、高成本、高风险的试验。发动机工作时间短,所测参数较多，过程控制和关键参数要求精度高^[1]，一旦点火试验口令下达，试验过程就不可终止，因此要求测试系统的动态特性可靠性高，响应快，采用先进可靠的测试技术和设备，才能保障试验的测试精度，确保试验圆满成功。如何提高整个测试系统及传感器的精度及可靠性，提高系统的通用性是一个重要课题。随着发动机试验种类增多，传统的发动机地面试验测试使用的模拟记录设备，难以满足现有试验的需求。随着计算机技术、电子技术和先进测试技术的发展，固体火箭发动机地面试验测控设备和测试方法开始数字化，解决了固体火箭发动机地面试验大容量、多种类参数测试问题。

PXI（PCI extensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展）是一种由NI公司发布的基于PC的测试和自动化平台。PXI继承了PCI的电气信号，使得PXI拥有极高传输数据的能力，并且PXI采用和Compact PCI一样的机械外型结构，因此也能同样享有高密度、坚固外壳及高性能连接器的特性，使之发展成适合于试验、测试与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。本文介绍了基于PXI总线的固体火箭发动机地面测试系统的系统组成、其工作原理及应用。

2 系统组成

PXI总线技术是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，是PCI在仪器领域的扩展^[2]。

整个系统由试车台上安装在固体火箭发动机上的传感器（推力、压力、振动、位移、温度、应变、热流等）、测试转接柜、信号调理单元、电源、电光转化模块、光电转换模块、信号电缆、光纤、PC接口背板、PXI总线采集系统、计算机等设备组成, 系统的总体框图如图1所示。

传感器输出的为电压信号，经过测试转接柜后，用电转光模块将其转换为光信号再通过光纤传输，到达测试间，先用光转电模块将信号转换为电压信号，通过信号调理再经PC接口背板和采集设备对信号采集：这样减少了在测试转接柜到测试间长电缆上信号的衰减，提高了通信的可靠性；PC接口背板的主要功能是实现多个PXI采集卡的数据汇总，采集卡主控芯片为FPGA，FPGA通过PXI总线与计算机进行通信；系统软件自主研发，用于配置试验所需的各种参数，控制PXI总线自动测试系统完成数据采集，并将试验数据进行存储，试验结束对试验数据进行处理。

2.1 信号调理

（1）模拟信号输入端调理电路设计。由于传感器种类不同，要求的采样率也不同，信号由接口输入后，需要先对干扰信号进行滤除，设计中使用低通滤波电路对信号进行滤波，避免输入信号在A/D转换过程中被混叠，一阶低通滤波电路对应的截止频率计算公式为：

图2 信号输入端调理电路

（2）消除抖动设计。在发动机点火试验过程，受台体及发动机振动干扰，会出现了多个尖峰脉冲的干扰。如果直接将这些信号送给主控芯片ＦＰＧＡ控制的A/D芯片采集，将可能把尖峰脉冲信号当作有效信号，从而出现误判。为此对抖动的信号进行可靠准确的消除是必要的，通常称为“消抖”^[3]。而且环试验境恶劣，有强电磁场，冲击波，也会带来信号的尖峰脉冲干扰，这也迫切需要我们采取必要的消抖措施。

本文使用的消抖方式是信号延时消抖，其原理是对输入信号进行高频采样，当信号发生跳变且采样计数器连续计满Ｎ个跳变点后，内部信号才随之发生有效跳变。如图3所示，消抖时间为4个时钟。

2.2 采集系统硬件

发动机试验过程中，推力、压力、位移、温度、应变等传感器输出的信号为模拟信号，堵片信号在点火信号发出后，发动机点火时同时使得连接堵片的靶线被炸开后产生的。堵片信号和开关电路的原理一样，是数字开关量。

因而本文中采集系统要完成对模拟量和开关量的采集，采集模拟量的输入板卡选用PXI-6071E，包含64通道，如果试验要求采集更多路，多增加几个板卡即可完成多路模拟量的采集，速度可达1.25Mb/s，满足试验要求；开关量板选择PXI 6534，速度高达80Mb/s，最多可完成32路开关量的采集。

3 软件设计

3.1 软件设计工具

该系统的采集软件是以Visual Basic为基础，连接Oracle数据库搭建平台开发的，试验准备过程配置的文件和测试的数据都保存在Oracle数据库中。软件体系结构如图4所示。

图4中，利用NI公司的PXI传输协议编写与计算机通讯以及各采集模块程序，这样各种数据采集模块对被测电路的进行测试；利用ADO接口访问数据库，把测试过程中的试验数据保存Oracle数据库，便于后续的试验数据信息管理工作。值得一提的是，各模块收发命令、读/写数据和执行指令的先后顺序和时间能否协调，将直接影响到系统的可靠性、测试数据的实时性和测试系统的效率^[4]。为了实现程序的通用性和可移植性，把测试数据和测试流程分开，测试流程的任务就是根据测试需求读取配置数据库的数据，配置相关采集模块，进行相应地数据采集、分析计算，并把结果写回到测试结果数据库中^[5,6]。在计算机中，安装了Oracle数据库，编写了数据管理查询软件，并设置了权限，管理员可以查询，录入，修改试验信息数据库，普通用户只能查询试验数据。

3.2 VHDL程序设计

系统中包含FPGA主控部分通过VHDL程序设计相应功能模块以及消抖、复位模块，FPGA控制模块主要包括以下模块：A/D时序控制模块，FIFO读写模块以及与计算机通讯命令。其中，ISE10.1软件中用VHDL编写程序形成的消抖模块原理图如图5所示。

3.3 采集系统部分软件设计

采集软件包含“打开设备”，“测试操作”，“数据分析”，“查看数据”，“数据回放”，“退出”功能模块，其中“退出”模块退出后，打开数据库，进行操作，可以查询到用户退出的时间，用户是否正常登出系统。如图6所示。


测试操作主界面如图7所示，可以显示各通道电压值，对传感器标定后，将校准系数写入就可以显示出工程值。指定某一通道，试验时还可以显示出曲线。

4 结束语

本测试系统基于PXI总线平台开发的，该系统具有较好的通用性和可移植性，通过在不同试验中的使用表明，能够满足多种型号固体火箭发动机地面试验中的测试任务需要，同时具有试验数据管理、分析等功能。该系统的成功应用，解决了固体火箭发动机地面试验中的测试问题，并且该系统可以扩展到液体火箭发动机、固液混合发动机以及其他类似的测试领域中，具有广阔的发展前景，还可以对比大量试验数据，进一步进行数据挖掘，对进一步分析提高固体火箭发动机整体性能有促进作用。

参考文献

[1]谢龙,李海涛,沈赤兵.火箭发动机试验通用自动测试系统研究[J].计算机测量与控制,2007.15(4):491~492.                   

[2]张小芳,彭勤素.基于PXI的导弹地面测试系统设计[J].弹箭与制导学报,2008,(28):61~62.

[3]侯继红.基于VHDL语言的按键消抖电路设计与仿真[J].现代电子技术,2009,(23):201~202．

[4]莫畏.一种基于GPIB的自动测试系统的研究与实现[ J].电脑开发与应用,2008(9):5~8.

[5]王勇,王晟达,彭苏.基于PXI和GPIB总线雷达自动测试系统的设计[J].空军工程大学学报,2004(6):112~114.

[6]唐波,潘红兵,杜炜.基于LabVIEW的电路板信号检测系统[J].电子技术应用,2008(3):11~13.

作者简介

杨宁（1986-） 女 工学学士 助理工程师 研究方向：电子通信技术方向