Контроль параметров помех на шинах питания бортовой аппаратуры

УДК 621.317.743

А. И. Горностаев

Научно-производственное объединение прикладной механики им. акад. М. Ф. Решетнёва

Железногорск

КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ПОМЕХ НА ШИНАХ ПИТАНИЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ

Исследована проблема контроля параметров помех при анализе помеховой обстановки на шинах питания бортовой аппаратуры в служебных системах космического аппарата. Предложен способ решения задачи выделения различных параметров сигналов помех для определения их динамических свойств. Приведен пример практической реализации устройства выделения параметров помех.

Одной из актуальных проблем при исследовании помеховой обстановки на шинах питания бортовой аппаратуры (БА) в процессе испытаний и штатной эксплуатации служебных систем космических аппаратов (КА) является контроль параметров помех на шинах питания БА, несущих информацию о качестве питания (уровне пульсаций, форме и длительности колебаний напряжения питания и тока потребления, а также распределении энергии их спектральных составляющих по различным поддиапазонам частот). Эту задачу возможно решать с помощью специальной измерительной аппаратуры, обеспечивающей анализ параметров помех на шинах питания всего комплекса БА, в котором условно можно выделить систему электропитания (СЭП) с различными уровнями напряжения на выходных шинах питания и энергопотребляющие системы (ЭПС) с соответствующими уровнями напряжения. Контроль выделенных параметров помех и их дальнейшая обработка производятся в масштабе реального времени. Это позволяет определять корреляционные зависимости между отдельными сигналами помех и выявлять основные источники помех, которые могут быть причиной неустойчивой работы БА. Сбор и обработка информации при этом осуществляются с помощью специальных вычислительных средств.

Для исследования помеховой обстановки на шинах питания получили развитие два варианта построения измерительной аппаратуры. Один вариант ориентирован на исследование помеховой обстановки на шинах питания только в процессе наземных комплексных испытаний БА. При этом в качестве специальных вычислительных средств и устройства регистрации результатов вычисления используется персональный компьютер [1]. Этот вариант не имеет жестких ограничений по сложности аппаратуры, поэтому позволяет строить многоканальную измерительную аппаратуру с большим объемом обрабатываемых данных, в которой контроль параметров помех и их дальнейшая цифровая обработка производятся непосредственно по оцифрованным сигналам помех. При использовании достаточно сложных алгоритмов обработки оцифрованных сигналов помех можно получить более детальную картину по-меховой обстановки на шинах питания БА и своевременно обнаружить основные источники помех до начала штатной эксплуатации БА. Однако использование этого варианта не исключает возможности проявления основных источников помех в условиях штатной эксплуатации БА из-за неизбежных отличий от условий наземных испытаний.

Другой вариант построения ориентирован на исследование помеховой обстановки с помощью измерительной аппаратуры в процессе штатной эксплуатации БА в течение всего срока активного существования КА, поэтому предполагает введение в состав служебных систем КА в качестве измерительной аппаратуры устройства контроля помеховой обстановки (УКПО) с ограниченным объемом обрабатываемых данных. При этом в качестве специаль-

ных вычислительных средств и устройства регистрации результатов вычисления используется бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ). Этот вариант связан с жесткими ограничениями как по сложности исполнения УКПО, так и по частоте сеансов обмена с БЦВМ, поэтому предполагает выделение с помощью УКПО необходимых параметров помех в аналоговой форме с последующим преобразованием их в цифровую и между сеансами обмена с БЦВМ — предварительную обработку цифровой информации в масштабе реального времени с помощью встроенной в УКПО микроЭВМ, а уже затем — передачу в БЦВМ сохраненных в оперативной памяти микроЭВМ результатов предварительной обработки цифровой информации для общего анализа помеховой обстановки.

Особенности использования УКПО в составе служебных систем КА. При определении задач, которые должно решать УКПО, требуется учитывать особенности его использования в составе служебных систем КА. Рассмотрим эти особенности на примере структурной схемы контроля помеховой обстановки на шинах питания СЭП и ЭПС, приведенной на рис. 1.

Рис. 1

Основными узлами УКПО являются измеритель, который может быть выполнен в виде функционально законченного модуля контроля параметров помех (МКПП) с необходимым количеством каналов измерения и точек контроля, и вычислитель в виде функционально законченной микроЭВМ с необходимыми интерфейсами для работы с внешними устройствами.

МКПП предполагает наличие не менее четырех каналов измерения с различным количеством точек контроля, т.е. для одновременного контроля параметров сигналов помех иСЭт на выходных шинах питания СЭП (канал измерения иСЭП), икшг между корпусом и шинами питания СЭП (канал измерения икш), иЭПС/ на входных шинах питания ЭПС (канал измерения иЭПС) и иду на выходах датчиков тока, обеспечивающих контроль протекающих токов по входным шинам питания ЭПС (канал измерения идт). Здесь г — количество точек контроля СЭП и / — количество точек контроля ЭПС. Контроль протекающих токов по шинам питания ЭПС в таком случае необходимо осуществлять с помощью датчиков тока [2], обеспечивающих линейное преобразование изменения протекающего тока в напряжение в исследуемом диапазоне частот.

Одновременный контроль параметров помех на выходных шинах питания СЭП и входных шинах питания ЭПС позволяет определять различия в уровнях сигналов помех, вызванные падением напряжения ДиЭПС/ на шинах питания между СЭП и ЭПС в бортовой кабельной сети. При этом для исключения взаимного влияния между каналами измерения иСЭП, икш, иЭПС, идт должно быть введено экранирование сигнальных цепей всех точек контроля друг от друга и обеспечена гальваническая развязка входных устройств в МКПП для всех точек контроля.

Наличие микроЭВМ предполагает возможность управления выбором необходимых точек контроля, сбора из МКПП цифровой информации о выделенных аналоговых параметрах помех и их предварительной обработки в масштабе реального времени на нескольких циклах

измерения Гци, поэтому работа микроЭВМ должна синхронизироваться интервальным таймером, отсчет временных интервалов которого осуществляется при поступлении импульсов от внутреннего кварцевого генератора. Взаимодействие микроЭВМ с МКПП в таком случае должно осуществляться через внутреннюю магистраль передачи информации (МПИ). Результаты предварительной обработки цифровой информации на нескольких циклах измерения Гци, сохраняемые в оперативной памяти микроЭВМ между сеансами обмена с БЦВМ, могут содержать данные как о динамических свойствах параметров помех, так и об их выходе за пределы допустимой нормы, поэтому в микроЭВМ должны быть предусмотрены интерфейсы для обмена переменными данными с БЦВМ и выдачи зафиксированных данных о превышении допустимой нормы параметров помех в систему телеметрического контроля (СТК). Для использования УКПО при наземных испытаниях и для отладки программного обеспечения в процессе испытаний в микроЭВМ также должен быть предусмотрен технологический канал, позволяющий обмениваться данными с наземным испытательным комплексом (НИК).

Использование УКПО предполагает возможность работы в режиме самоконтроля, когда проверяется работоспособность каналов измерения ПСЭП, Пкш, ПЭПС, идт от встроенного эталонного генератора; в режиме дежурного контроля, когда контроль параметров помех осуществляется в заранее установленных точках без вмешательства внешних устройств; в режиме запросного контроля, когда выбор номера точек контроля инициируется либо кодовыми посылками из БЦВМ, либо командами управления из бортового комплекса управления (БКУ) посредством пошагового циклического перебора. Поэтому в УКПО для управления режимами работы, а также для управления включением питания должен быть предусмотрен еще и командный интерфейс с БКУ.

Функциональная схема МКПП. Исходя из решаемых УКПО задач МКПП должен представлять собой четырехканальный измеритель, обеспечивающий программный выбор в каждом канале измерения требуемого номера точки контроля, выделение и дискретизацию необходимых параметров помех в аналоговой форме и временное разделение каналов измерения при преобразовании результатов дискретизации выделенных аналоговых параметров помех в цифровую форму. Функциональная схема такого МКПП, позволяющего контролировать параметры помех по четырем каналам измерения ПСЭП, икш, ПЭПС и идт, приведена на рис. 2.

ПсЭП I

ии

и с

ии

<-1)

и

ЭПСI

иг

дт I

иЭПС

идт

<—II

иэг

иП

иП

МПИ

иП

ПпПДп

Па У

4 -> -N -✓ 6

3

2

2

3

2

3

3

2

7

д

1

Рис. 2

В состав МКПП входят следующие функциональные устройства:

— эталонный генератор 1, формирующий переменное напряжение иэг с частотой/эг для контроля работоспособности линейного тракта преобразования каналов измерения иСЭП, икш, иЭПС, идт и проведения калибровки результатов измерения;

— устройства выбора точки контроля 2, обеспечивающие через измерительные трансформаторы [3] прием сигналов помех иСЭПг, икшг-, иЭПС/ и идт/, и переменного напряжения иэг в двух точках калибровки, их усиление в точках контроля каналов измерения иСЭП, и^, иЭПС, идт до нормированного уровня и фильтрацию в частотном диапазоне измерения Д/и = / -/н, ограниченном нижней / и верхней / граничными частотами (предполагается, что за пределами частотного диапазона измерения Д/и спектральные составляющие сигналов помех малы и не нормируются);

— устройства выделения параметров помех 3, обеспечивающие выделение из усиленных до нормированного уровня сигналов помех каналов измерения иСЭП, икш, иЭПС, идт соответствующих наборов разнополярных аналоговых параметров помех иППСп, иППКп, иППЭп, иППдп, где п — количество выделяемых в канале измерения параметров помех, динамические свойства которых ограничиваются верхней частотной составляющей ^ов огибающих сигналов помех, и их дискретизацию по времени в соответствии с теоремой Котельникова [4] с частотой > 2^ов;

— аналоговый коммутатор 4, обеспечивающий для временного разделения каналов измерения переключение выделенных дискретных аналоговых параметров помех иППСп, иППКп, иППЭп, иППдп на общий канал преобразования аналоговой формы сигнала иа в цифровую (канал преобразования иа) с частотой = 4яРд;

— аналого-цифровой преобразователь 5, обеспечивающий циклическое преобразование дискретных аналоговых параметров помех иППСп, иППКп, иППЭп, иППДп, переключаемых на общий канал преобразования иа, в цифровой эквивалент У;

— буферное устройство 6, обеспечивающее передачу через МПИ цифрового эквивалента У дискретных аналоговых параметров помех в микроЭВМ;

— схема управления 7, обеспечивающая в соответствии с заложенным программным обеспечением микроЭВМ формирование кода выбора номера точек контроля, импульсов дискретизации кода выбора номера дискретного параметра помех, импульса запуска аналого-цифрового преобразователя и импульса чтения цифрового эквивалента У.

Спектральный состав контролируемых сигналов помех иСЭПь икшг-, иЭПС/, идт/ ограничивается на выходе устройств выбора точек контроля 2 для каждой точки контроля соответствующими передаточными характеристиками КсЭПг(р), Ккшг(р), КЭПС/(р), Кдт/(р). Частота /г переменного напряжения иэг эталонного генератора 1 соответствует середине частотного диапазона измерения Д/и, в котором частотные искажения соответствующих передаточных характеристик КК1(2)СЭП(р), КК1(2)кш(р), КК1(2)ЭПС(р), КК1(2)дт(р) в первой и второй калибровочных точках отсутствуют и не влияют на результаты калибровки.

Выходные сигналы устройств выбора точек контроля 2 используются для выделения в каждом канале измерения с помощью устройств выделения параметров помех 3 необходимого количества п дискретных аналоговых параметров помех иППСп, иППКп, иППЭп, иППДп, которые наиболее полно отражают динамические свойства сигналов помех. Для упрощенной оценки пульсаций и переходных отклонений сигнала помехи на шинах питания можно выделять уровни их положительной иоп(0 и отрицательной иоо(^) огибающих. Для упрощенной оценки распределения энергии их спектральных составляющих весь частотный диапазон измерения Ди можно разбить на два поддиапазона, разграничив их верхней частотной составляющей ^ов огибающей сигнала помехи на низкочастотный Динч = ^ов -/н и высокочастотный Д/ивч = / - ^ов поддиапазоны измерения, и выделить уровень действующего (среднеквадрати-ческого) значения идз(^) сигнала помехи в общем частотном диапазоне измерения Д/и и уровень низкочастотной составляющей инч(0 сигнала помехи в поддиапазоне измерения Динч. В таком случае оценку распределения энергии их спектральных составляющих по поддиапазонам измерения Д/инч и Д/ивч необходимо производить вычислительными средствами микроЭВМ.

Следует отметить, что при коммутации аналоговым коммутатором 4 дискретных помех иоп(г), иоо(г), идз(г), инч(г) всех каналов измерения иСЭП, икш, иЭПС, идт на общий канал преобразования иа будут возникать переходные процессы, поэтому для исключения в цифровом эквиваленте У динамической ошибки измерения включение аналого-цифрового преобразователя 5 должно производиться после установления переходных процессов. Для этого необходимое время задержки Дгз запуска аналого-цифрового преобразователя 5 и время задержки ДГч чтения цифрового эквивалента У через буферное устройство 6 после запуска 5 учитываются в программном обеспечении микроЭВМ, осуществляющем через схему управления 7 инициализацию работы МКПП в различных режимах.

Пример практической реализации устройства выделения параметров помех. Для выделения из контролируемых входных сигналов помех ивх(г) любого из каналов измерения иСЭП, и^ш, иЭПС, идт рассмотренных медленно изменяющихся во времени дискретных аналоговых параметров помех иоп(г), иоо(г), идз(г), инч(г) с верхней частотной составляющей не более ^ов в устройстве выделения параметров помех должно быть предусмотрено четыре независимых аналоговых преобразователя, обеспечивающих выполнение условия дискретизации > 2^ов. Функциональная схема устройства выделения параметров помех приведена на рис. 3, в состав устройства входят:

— пиковый детектор положительной огибающей сигнала 8, обеспечивающий выделение на периоде дискретизации Гд=1/Рд максимального значения сигнала помехи ивх(г), используемого для дискретизации значений положительной огибающей иоп(г);

— пиковый детектор отрицательной огибающей 9, обеспечивающий выделение на периоде дискретизации Гд=1/Рд минимального значения сигнала помехи ивх(г), используемого для дискретизации значений отрицательной огибающей иоо(г);

— устройство выделения действующего (среднего квадратического) значения 10 сигнала помехи идз(г) при постоянной интегрирования ти > 1/Ров в соответствии с выражением:

Рис. 3

идз (Г) =

1

- Г и2 (г)йг;

Г •>

г-т„

— фильтр нижних частот 11 с передаточной характеристикой Кнч(р), обеспечивающий выделение из сигнала помехи ивх(г) низкочастотной составляющей инч(г) в поддиапазоне измерения Динч;

— устройства выборки и хранения 12, обеспечивающие сохранение результатов выборки аналоговых параметров помех иоп(г), иоо(г), идз(г), инч(г) в течение периода дискретизации Тд = 1/^д для их последовательного преобразования в цифровую форму.

Пиковые детекторы положительной 8 и отрицательной 9 огибающих могут быть реализованы на базе компаратора напряжения 521СА3 и устройства выборки и хранения 1100СК2 в соответствии со схемой, приведенной в [5]. Устройство выделения действующего значения 10 может быть реализовано на базе умножителя 525ПС3А с интегрирующим звеном в соответствии со схемами, приведенными в работе [6]. Фильтр нижних частот 11 может быть реализован на базе активного фильтра второго порядка с верхней граничной частотой ^ов.

и

Техническая совместимость приборов как основа эффективности и качества систем

33

В соответствии с рассмотренным примером практической реализации устройства выделения параметров помех было разработано УКПО, позволяющее непрерывно контролировать параметры помех на шинах питания БА по четырем каналам измерения иСЭП, икш, иЭПС, идт в частотном диапазоне Д/и = 20—30 000 Гц и обрабатывать в цикле измерения Гци = 100 мс результаты дискретизации аналоговых параметров помех иоп(0, иоо(0, ида(0, инч(0, ограниченных верхней частотной составляющей ^ов = 300 Гц, которое прошло наземную экспериментальную отработку с положительными результатами. Для использования УКПО при штатной эксплуатации в составе служебных систем КА необходимо провести работы по введению в БА специальных цепей контроля напряжения питания и тока потребления, а также разработать для БЦВМ специальное программное обеспечение.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Прокопьев Ю. М., Прокопьев В. Ю., Кочура С. Г., Максимов И. А., Маслов С. А., Иванов В. В., Кольцов А. В., Опенько С. И., Первухин А. В. Прибор контроля кондуктивных помех // Мат. Всеросс. науч.-технич. конф. „Навигационные спутниковые системы, их роль и значение в жизни современного человека" / Под общ. ред. Н. А. Тестоедова. Красноярск: Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, 2007. С. 99—101.

2. Андреев Ю. А., Абрамзон Г. В. Преобразователи тока для измерений без разрыва цепи. Л.: Энергия, 1979. 144 с.

3. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: Уч. для вузов. М.: Высш. шк., 1988. 488 с.

4. Лейтман М. Б. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. М.: Энергоатом-издат, 1986. 144 с.

5. Горностаев А. И., Терпугов Н. И. Пиковый детектор. Патент РФ № 2029395. МПК в11С 27/00. Заявл. 14.03.91. Опубл. 20.02.95. Бюл. № 5.

6. Тимонтеев В. Н., Величко Л. М., Ткаченко В. А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Радио и связь, 1982. 112 с.

Рекомендована Поступила в редакцию

НПО ПМ 12.01.08 г.

УДК 60:62:167.7

А. А. Носенков, В. И. Медведев, Е. Н. Сухарев

Сибирский государственный аэрокосмический университет им. акад. М. Ф. Решетнёва

Красноярск

ТЕХНИЧЕСКАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ПРИБОРОВ КАК ОСНОВА ЭФФЕКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА СИСТЕМ

Представлены некоторые положения понятийного аппарата и общей теории технической совместимости приборов. Рассмотрена роль технической совместимости в обеспечении качества и эффективности создаваемых систем.

Согласно международному ГОСТ 30709-2002, принятому в десяти странах СНГ, техническая совместимость — совместимость изделий, их составных частей, конструкционных, горюче-смазочных материалов, технологических процессов изготовления и контроля [1]. В стандарте изложен ряд общих понятий, касающихся ТС, и даны определения девятнадцати ее видов. Несмотря на дискуссионность некоторых трактовок и определений, представленных стандартом, главная его ценность состоит в попытке директивно закрепить все понятийное многообразие совместимости современной техники. Для авторов настоящей статьи важность