基于FPGA的固体推进剂过载参数存储测试系统的研制

摘要

在固体火箭发动机工作过程中，推进剂药柱的应变量及过载加速度等动态参数对固体发动机的故障诊断及安全性的评估监测具有重要意义。目前国内对推进剂药柱在过载状态下的测试比较少见，并且常用的测试方法存在外接信号引线易断、制作安装困难等问题，基于此，开展了针对固体推进剂过载参数测量的存储测试系统的研究。
　　 在分析了固体推进剂在实际工况中表面应变、加速度信号的特点及测试环境的特殊性的基础上提出了存储测试装置的设计性能指标、设计原则和总体方案;根据所选各传感器的电气特性并结合系统性能指标，设计了相应的信号调理电路;设计了FPGA控制器及片外AD转换器、USB通信控制器、存储器的电路;使用Verilog硬件描述语言在Quartus(Ⅱ)9.0软件环境下对片外硬件电路编写了各功能控制模块，并结合LabVIEW8.6软件开发了上位机操作界面，实现了对测试系统的可程控增益放大、应变电桥自动平衡、内触发设置、测试数据读取等功能，完成了三通道大应变、单通道加速度信号的采集存储。设计了合理有效的供电电路，保证了装置在试验过程中能够正常工作;针对试验环境及对装置抗冲击性的要求，利用Solidworks2008设计了装置的机械壳体，并使用ANSYS软件进行了强度仿真分析，对电路板的防护及缓冲进行了分析与设计。针对因受发动机体积局限导致装置与外界通信接口的不匹配，对各接口进行了合理的转换。利用信号发生器、落锤信号发生器以及并联大电阻方法分别对装置的加速度及应变测试进行调试与功能验证，试验结果表明设计的存储测试装置是可行有效的，具有实际工程使用价值，为固体发动机的故障诊断及安全评估监测提供了一种有效的测试方法。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外发展现状

1．2．1 固体推进剂应变测量

1．2．2 存储测试技术

1．3 论文的主要研究内容

2 固体推进剂过载参数存储测试装置总体方案

2．1 概述

2．2 系统性能指标及设计原则

2．2．1 系统性能指标

2．2．2 系统设计原则

2．3 系统总体方案设计

2．3．1 传感器选型

2．3．2 装置机械外壳设计及抗冲击性分析

2．3．3 系统电路方案设计

2．3．4 系统工作状态及工作流程设计

2．4 本章小结

3 存储测试系统硬件电路设计

3．1 信号调理电路设计

3．1．1 应变调理电路设计

3．1．2 加速度调理电路设计

3．2 AD模数转换电路设计

3．2．1 AD选型

3．2．2 AD电路设计

3．3 基于FPGA的数字控制电路设计

3．3．1 FPGA控制电路设计

3．3．2 存储器电路设计

3．3．3 存储测试装置与上位机通信电路设计

3．4 电源设计

3．4．1 电池选择

3．4．2 模拟电路电源设计

3．4．3 数字电路电源设计

3．5 PCB布局布线设计

3．6 存储测试装置接口设计

3．7 本章小结

4 FPGA逻辑控制器及上位机软件设计

4．1 FPGA简介

4．1．1 FPGA设计流程

4．1．2 FPGA开发工具

4．1．3 FPGA设计语言

4．2 模块化设计及仿真

4．2．1 时钟子模块

4．2．2 AD采集子模块

4．2．3 自动平衡子模块

4．2．4 PGA程控子模块

4．2．5 USB数据收发子模块

4．2．6 SDRAM控制器子模块

4．2．7 内触发及预采样子模块

4．2．8 命令控制子模块

4．3 上位机软件设计

4．4 本章小结

5 系统调试及功能验证

5．1 概述

5．2 系统调试

5．2．1 信号发生器产生正弦波调试

5．2．2 加速度传感器联调

5．3 系统功能验证

5．3．1 系统应变试验

5．3．2 落锤加速度试验

5．3．3 实验室模拟假药柱试验

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录